Beräkningar av forskare har visat att 95 % av universum består av materia som ännu inte har utforskats av människor: 70 % är mörk energi och 25 % är mörk materia. Det antas att den första representerar ett visst fält med icke-noll energi, men den andra består av partiklar som kan detekteras och studeras.
Men det är inte för inte som detta ämne kallas dold massa - dess sökning varar en lång tid och åtföljs av heta diskussioner bland fysiker. För att föra ut sin forskning till allmänheten initierade CERN till och med Dark Matter Day, som firas för första gången idag, den 31 oktober.
Förespråkare för förekomsten av mörk materia presenterar ganska övertygande argument, bekräftade av experimentella fakta. Dess erkännande började på trettiotalet av 1900-talet, när den schweiziska astronomen Fritz Zwicky mätte hastigheterna med vilka galaxerna i Coma-klustret rör sig runt ett gemensamt centrum. Som du vet beror rörelsehastigheten på massan. Forskarens beräkningar visade att galaxernas verkliga massa borde vara mycket större än den som bestämts under observationer med teleskop. Det visade sig att en ganska stor del av galaxerna helt enkelt inte var synliga för oss. Därför består den av materia som inte reflekterar eller absorberar ljus.
Den andra bekräftelsen på existensen av dold massa är förändringen i ljus när det passerar genom galaxer. Faktum är att alla föremål med massa förvränger ljusstrålars rätlinjiga väg. Således kommer mörk materia att göra sina ändringar i ljusbilden (bilden av ett avlägset objekt), och den kommer att bli annorlunda än bilden som bara skulle skapas av synlig materia. Det finns tio bevis för förekomsten av mörk materia, men dessa två är de viktigaste.
© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS
Ett foto av en galaxhop. Linjerna visar "konturen" av mörk materia
Även om bevisen för existensen av mörk materia är ganska övertygande, har ingen ännu hittat eller studerat partiklarna som utgör den. Fysiker menar att detta hemlighetsmakeri beror på två skäl. Den första är att dessa partiklar har en för hög massa (relaterad till energi genom formeln E=mc²), så kapaciteten hos moderna acceleratorer är helt enkelt inte tillräckliga för att "föda" en sådan partikel. Det andra skälet är den mycket låga sannolikheten för att mörk materia dyker upp. Kanske kan vi inte hitta den just för att den interagerar extremt svagt med människokroppen och de partiklar som vi känner till. Även om mörk materia finns överallt (enligt beräkningar) och dess partiklar bokstavligen rusar genom oss varje sekund, så känner vi det bara inte.
För att upptäcka mörk materia partiklar använder forskare detektorer som är placerade under jord för att minimera onödiga störningar. Det antas att mörk materia partiklar ibland fortfarande kolliderar med atomkärnor, överför en del av deras rörelsemängd till dem, slår ut elektroner och orsakar ljusblixtar. Frekvensen av sådana kollisioner beror på sannolikheten för interaktion mellan partiklar av mörk materia med kärnan, deras koncentration och relativa hastighet (med hänsyn till jordens rörelse runt solen). Men experimentella grupper, även om de upptäcker någon effekt, förnekar att mörk materia orsakade detta detektorsvar. Och endast den italienska experimentgruppen DAMA, som arbetar i Gran Sassos underjordiska laboratorium, rapporterar observerade årliga variationer i räknehastigheten för signaler, förmodligen förknippade med jordens rörelse genom den galaktiska dolda massan.
Detektor för att detektera mörk materia
I detta experiment mäts antalet och energin av ljusblixtar inuti detektorn under flera år. Forskare har bevisat förekomsten av svaga (cirka 2%) årliga fluktuationer i antalet sådana händelser.
Även om den italienska gruppen med tillförsikt försvarar tillförlitligheten av experimenten, är forskarnas åsikter om denna fråga ganska tvetydiga. Den största svagheten med resultaten som erhållits av den italienska gruppen är deras unika karaktär. Till exempel, när gravitationsvågor upptäcktes, upptäcktes de av laboratorier runt om i världen, vilket bekräftar data som erhållits av andra grupper. När det gäller DAMA är situationen annorlunda - ingen annan i världen kan skryta med att ha samma resultat! Naturligtvis är det möjligt att denna grupp har kraftfullare detektorer eller sina egna metoder, men denna unika egenskap hos experimentet väcker tvivel bland vissa forskare om dess tillförlitlighet.
"Det är fortfarande omöjligt att säga exakt vad data som samlats in i Gran Sasso-laboratoriet relaterar till. I vilket fall som helst gav en grupp från Italien ett positivt resultat, och inte ett förnekande av något, vilket redan är en sensation. Nu hittade signalerna måste sökas för en förklaring. Och detta är ett stort incitament till utvecklingen av en mängd olika teorier, inklusive de som ägnas åt att skapa en modell av dold massa. Men även om en vetenskapsman försöker förklara varför de erhållna uppgifterna inte på något sätt relaterar till mörk materia kan detta ändå bli ett nytt steg i förståelsen av naturen. Hur som helst är resultatet och vi måste fortsätta arbetet. Men i nuläget kan jag personligen inte helt hålla med om att mörk materia har hittats", kommenterar Konstantin Belotsky, ledande forskare vid institutionen för elementarpartikelfysik vid NRNU MEPhI.
Mörk materia avger eller absorberar inte ljus, interagerar praktiskt taget inte med "vanlig" materia, forskare har ännu inte lyckats fånga en enda "mörk" partikel. Men utan det skulle universum vi känner, och till och med vi själva, inte kunna existera. På Dark Matter Day, som firas den 31 oktober (fysiker beslutade att detta är precis rätt tid att organisera en semester för att hedra den mörka och svårfångade substansen), N+1 frågade chefen för avdelningen för teoretisk astrofysik vid Astrospace Center vid Lebedev Physical Institute, Andrei Doroshkevich, om vad mörk materia är och varför det är så viktigt.
N+1: Hur säkra är forskare idag på att mörk materia verkligen existerar?
Andrey Doroshkevich: Det huvudsakliga beviset är observationer av fluktuationer av den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen, det vill säga resultaten som har erhållits av WMAP och "" rymdfarkoster under de senaste 15 åren.
De mätte med hög noggrannhet temperaturstörningen i den kosmiska mikrovågsbakgrunden, det vill säga den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen. Dessa störningar har bevarats sedan rekombinationens era, då joniserat väte förvandlades till neutrala atomer.
Dessa mätningar visade närvaron av fluktuationer, mycket små, cirka en tiotusendels kelvin. Men när de började jämföra dessa data med teoretiska modeller upptäckte de viktiga skillnader som inte kan förklaras på något annat sätt förutom genom närvaron av mörk materia. Tack vare detta kunde de beräkna andelarna av mörk och vanlig materia i universum med en noggrannhet på en procent.
Fördelning av materia i universum (från vänster till höger) före och efter uppkomsten av data från Planck-teleskopet
Forskare har gjort många försök att bli av med osynlig och omärklig mörk materia och skapat teorier om modifierad gravitation, som MOND, som försöker förklara de observerade effekterna. Varför är modeller av mörk materia att föredra?
Situationen är mycket enkel: den moderna Einsteinska gravitationsteorin fungerar bra på jordiska skalor, satelliter flyger i strikt överensstämmelse med denna teori. Och det fungerar väldigt bra på kosmologiska skalor. Och alla moderna modeller som förändrar gravitationen kan inte förklara allt. De introducerar nya konstanter i Newtons lag som hjälper till att förklara effekterna av mörk materia på galaxnivå, men missar målet på den kosmologiska skalan.
Kan upptäckten av gravitationsvågor hjälpa här? Kanske hjälper det att förkasta några av teorierna?
Det gravitationsvågor nu har mätt är en enorm teknisk, inte vetenskaplig, framgång. Att de finns var känt för 40 år sedan när gravitationsstrålning från en dubbelpulsar upptäcktes (indirekt). Observationer av gravitationsvågor bekräftade återigen förekomsten av svarta hål, även om vi inte tvivlade på det tidigare, men nu har vi mer eller mindre direkta bevis.
Effektens form, förändringar i gravitationsvågor beroende på kraft, kan ge oss mycket användbar information, men vi måste vänta ytterligare fem till tio år tills vi har tillräckligt med data för att förfina teorier om gravitation.
Hur forskare lärde sig om mörk materia
Den mörka materiens historia började 1933, när astronomen Fritz Zwicky studerade hastighetsfördelningen av galaxer i ett kluster beläget i stjärnbilden Coma Berenices. Han upptäckte att galaxerna i klustret rörde sig för snabbt, och om man bara tog hänsyn till synlig materia kunde klustret inte vara stabilt – galaxerna skulle helt enkelt vara utspridda åt olika håll.
I en tidning som publicerades den 16 februari 1933 föreslog Zwicky att de hölls samman av en osynlig gravitationssubstans - Dunkle Materie.
Lite senare bekräftade andra astronomer diskrepansen mellan den "synliga" massan av galaxer och parametrarna för deras rörelse.
1958 föreslog den sovjetiske astrofysikern Viktor Ambartsumyan sin lösning på Zwicky-paradoxen. Enligt hans åsikt innehåller galaxhopar inte något osynligt material som skulle hålla dem gravitationsmässigt. Vi observerar helt enkelt kluster i upplösningsprocessen. De flesta astronomer accepterade dock inte denna förklaring, eftersom livslängden för kluster i det här fallet inte skulle vara mer än en miljard år, och med tanke på att universums livslängd är tio gånger längre, skulle det i dag helt enkelt inte finnas några kluster kvar.
Den allmänt accepterade förståelsen av mörk materia är att den består av WIMPs, massiva partiklar som har liten interaktion med vanliga materiepartiklar. Vad kan du säga om deras egenskaper?
De har en ganska stor massa - och det är nästan allt, vi kan inte ens namnge den exakta massan. De färdas långa sträckor utan kollisioner, men täthetsstörningar i dem dör inte ut ens i relativt liten skala – och det är det enda vi behöver för modeller idag.
CMB ger oss egenskaperna hos mörk materia i stor skala, på skalan av galaxhopar. Men för att "gå ner" till skalan för små galaxer, tvingas vi använda teoretiska modeller.
Själva existensen av små galaxer tyder på att det även i relativt små skalor fanns oregelbundenheter som uppstod strax efter Big Bang. Sådana inhomogeniteter kan blekna och jämna ut, men vi vet med säkerhet att de inte bleknar i skalan av små galaxer. Detta tyder på att dessa partiklar av mörk materia måste ha sådana egenskaper att dessa störningar kvarstår.
Är det korrekt att säga att stjärnor bara kan uppstå på grund av mörk materia?
Inte riktigt. Utan mörk materia kunde inte galaxer bildas, och stjärnor kan inte bildas utanför galaxer. Till skillnad från mörk materia är baryoner alltid varma och interagerar med den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen. Därför kan de inte självständigt samlas till stjärnor; gravitationen hos stjärnmassbaryoner kan inte övervinna deras tryck.
Partiklar av mörk materia fungerar som osynligt cement som drar in baryoner i galaxer, och sedan börjar stjärnbildningsprocessen i dem. Det finns sex gånger mer mörk materia än baryoner, den "leder", och baryonerna följer den bara.
Xenon mörk materia partikeldetektor XENON1T
Xenon100 samarbete
Finns det mycket mörk materia omkring oss?
Det finns överallt, frågan är bara hur mycket det finns. Man tror att i vår galax är massan av mörk materia något mindre än 10 procent.
Men redan i närheten av galaxen finns mer mörk materia, vi kan se tecken på närvaron runt både vårt och andra stjärnsystem. Naturligtvis ser vi det tack vare baryoner, vi observerar dem och vi förstår att de "fastnar" där bara på grund av närvaron av mörk materia.
Hur forskare söker efter mörk materia
Sedan slutet av 1980-talet har fysiker genomfört experiment i anläggningar djupt under jorden i ett försök att fånga kollisioner av individuella mörka partiklar. Under de senaste 15 åren har den kollektiva känsligheten för dessa experiment ökat exponentiellt, i genomsnitt fördubblats varje år. Två stora samarbeten, XENON och PandaX-II, har nyligen lanserat nya, ännu känsligare detektorer.
Den första av dem byggde världens största detektor för mörk materia, XENON1T. Den använder ett mål på 2 000 kilo tillverkat av flytande xenon, placerat i en vattentank som är 10 meter hög. Allt detta ligger under jorden på ett djup av 1,4 kilometer i Gran Sasso National Laboratory (Italien). PandaX-II-installationen är begravd på 2,4 kilometers djup i den kinesiska provinsen Sichuan och innehåller 584 kilo flytande xenon.
Båda experimenten använder xenon eftersom det är extremt inert, vilket hjälper till att hålla ljudnivåerna låga. Dessutom är kärnorna i xenonatomer relativt tunga (innehåller i genomsnitt 131 nukleoner per kärna), vilket ger ett "större" mål för partiklar av mörk materia. Om en av dessa partiklar kolliderar med kärnan i en xenonatom kommer den att producera en svag men märkbar ljusblixt (scintillation) och bildandet av en elektrisk laddning. Att observera även ett litet antal sådana händelser kan ge oss viktiga ledtrådar om den mörka materiens natur.
Hittills har varken dessa eller några andra experiment kunnat upptäcka mörk materia partiklar, men denna tystnad kan användas för att sätta en övre gräns för sannolikheten för kollisioner av mörk materia partiklar med vanliga materia partiklar.
Kan mörk materia partiklar bilda klumpar som normala materia partiklar?
Det kan de, men hela frågan är vilken täthet. Ur astrofysikens synvinkel är galaxer täta föremål, deras densitet är i storleksordningen en proton per kubikcentimeter, och stjärnor är täta föremål, med en densitet i storleksordningen ett gram per kubikcentimeter. Men det skiljer 24 storleksordningar mellan dem. Typiskt har mörka materiamoln en "galaktisk" densitet.
Har många människor en chans att söka efter mörk materia partiklar?
De försöker fånga växelverkan mellan enskilda mörk materia partiklar med atomer av vanlig materia, som de gör med neutriner. Men det är väldigt svårt att fånga dem, och det är inte ett faktum att det ens är möjligt.
CAST-teleskopet (CERN Axion Solar Telescope) vid CERN letar efter hypotetiska partiklar - axioner - som kan utgöra mörk materia.
Kanske består mörk materia i allmänhet av så kallade "spegel"-partiklar, som i princip bara kan observeras av sin gravitation. Hypotesen om ett andra "spegel"-universum föreslogs för ett halvt sekel sedan; detta är ett slags fördubbling av verkligheten.
Vi har bara verkliga observationer från kosmologin.
Intervjuad av Sergey Kuznetsov
MOSKVA, 31 oktober - RIA Novosti, Olga Kolentsova. Beräkningar av forskare har visat att 95 % av universum består av materia som ännu inte har utforskats av människor: 70 % är mörk energi och 25 % är mörk materia. Det antas att den första representerar ett visst fält med icke-noll energi, men den andra består av partiklar som kan detekteras och studeras. Men det är inte för inte som detta ämne kallas dold massa - dess sökning varar en lång tid och åtföljs av heta diskussioner bland fysiker. För att föra ut sin forskning till allmänheten initierade CERN till och med Dark Matter Day, som firas för första gången idag, den 31 oktober.
Förespråkare för förekomsten av mörk materia presenterar ganska övertygande argument, bekräftade av experimentella fakta. Dess erkännande började på trettiotalet av 1900-talet, när den schweiziska astronomen Fritz Zwicky mätte hastigheterna med vilka galaxerna i Coma-klustret rör sig runt ett gemensamt centrum. Som du vet beror rörelsehastigheten på massan. Forskarens beräkningar visade att galaxernas verkliga massa borde vara mycket större än den som bestämts under observationer med teleskop. Det visade sig att en ganska stor del av galaxerna helt enkelt inte var synliga för oss. Därför består den av materia som inte reflekterar eller absorberar ljus.
Den andra bekräftelsen på existensen av dold massa är förändringen i ljus när det passerar genom galaxer. Faktum är att alla föremål med massa förvränger ljusstrålars rätlinjiga väg. Således kommer mörk materia att göra sina ändringar i ljusbilden (bilden av ett avlägset objekt), och den kommer att bli annorlunda än bilden som bara skulle skapas av synlig materia. Det finns tio bevis för förekomsten av mörk materia, men dessa två är de viktigaste.
© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS
© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS
Även om bevisen för existensen av mörk materia är ganska övertygande, har ingen ännu hittat eller studerat partiklarna som utgör den. Fysiker menar att detta hemlighetsmakeri beror på två skäl. Den första är att dessa partiklar har en för hög massa (relaterad till energi genom formeln E=mc²), så kapaciteten hos moderna acceleratorer är helt enkelt inte tillräckliga för "födelsen" av en sådan partikel. Det andra skälet är den mycket låga sannolikheten för att mörk materia dyker upp. Kanske kan vi inte hitta den just för att den interagerar extremt svagt med människokroppen och de partiklar som vi känner till. Även om mörk materia finns överallt (enligt beräkningar) och dess partiklar bokstavligen rusar genom oss varje sekund, så känner vi det bara inte.
För att upptäcka mörk materia partiklar använder forskare detektorer som är placerade under jord för att minimera onödiga störningar. Det antas att mörk materia partiklar ibland fortfarande kolliderar med atomkärnor, överför en del av deras rörelsemängd till dem, slår ut elektroner och orsakar ljusblixtar. Frekvensen av sådana kollisioner beror på sannolikheten för interaktion mellan partiklar av mörk materia med kärnan, deras koncentration och relativa hastighet (med hänsyn till jordens rörelse runt solen). Men experimentella grupper, även om de upptäcker någon effekt, förnekar att mörk materia orsakade detta detektorsvar. Och endast den italienska experimentgruppen DAMA, som arbetar i Gran Sassos underjordiska laboratorium, rapporterar observerade årliga variationer i räknehastigheten för signaler, förmodligen förknippade med jordens rörelse genom den galaktiska dolda massan.
© Foto: SuperCMDS Collaboration
I detta experiment mäts antalet och energin av ljusblixtar inuti detektorn under flera år. Forskare har bevisat förekomsten av svaga (cirka 2%) årliga fluktuationer i antalet sådana händelser.
Även om den italienska gruppen med tillförsikt försvarar tillförlitligheten av experimenten, är forskarnas åsikter om denna fråga ganska tvetydiga. Den främsta svagheten med de resultat som erhållits av den italienska gruppen är att de inte kan upprepas. Till exempel, när gravitationsvågor upptäcktes, upptäcktes de av laboratorier runt om i världen, vilket bekräftar data som erhållits av andra grupper. När det gäller DAMA är situationen annorlunda - ingen annan i världen kan skryta med att ha samma resultat! Naturligtvis är det möjligt att denna grupp har kraftfullare detektorer eller sina egna metoder, men denna unika egenskap hos experimentet väcker tvivel bland vissa forskare om dess tillförlitlighet.
"Det är fortfarande omöjligt att säga exakt vad data som samlats in i Gran Sasso-laboratoriet relaterar till. I vilket fall som helst gav en grupp från Italien ett positivt resultat, och inte ett förnekande av något, vilket redan är en sensation. Nu hittade signalerna måste sökas för en förklaring. Och detta är ett stort incitament till utvecklingen av en mängd olika teorier, inklusive de som ägnas åt att skapa en modell av dold massa. Men även om en vetenskapsman försöker förklara varför de erhållna uppgifterna inte på något sätt relaterar till mörk materia kan detta ändå bli ett nytt steg i förståelsen av naturen. Hur som helst är resultatet och vi måste fortsätta arbetet. Men i nuläget kan jag personligen inte helt hålla med om att mörk materia har hittats", kommenterar Konstantin Belotsky, ledande forskare vid institutionen för elementarpartikelfysik vid National Research Nuclear University MEPhI.
En teoretisk konstruktion inom fysiken som kallas Standardmodellen beskriver växelverkan mellan alla elementarpartiklar som är kända för vetenskapen. Men detta är bara 5% av den materia som finns i universum, de återstående 95% är av helt okänd natur. Vad är denna hypotetiska mörka materia och hur försöker forskare upptäcka den? Hayk Hakobyan, MIPT-student och anställd vid institutionen för fysik och astrofysik, berättar om detta som en del av ett speciellt projekt.
Standardmodellen för elementarpartiklar, som slutligen bekräftades efter upptäckten av Higgs-bosonen, beskriver de grundläggande interaktionerna (elektro-svaga och starka) mellan de vanliga partiklarna vi känner till: leptoner, kvarkar och kraftbärare (bosoner och gluoner). Det visar sig dock att hela denna enorma komplexa teori bara beskriver cirka 5-6% av all materia, medan resten inte passar in i denna modell. Observationer av de tidigaste ögonblicken i vårt universum visar oss att ungefär 95 % av den materia som omger oss är av helt okänd natur. Med andra ord ser vi indirekt närvaron av denna dolda materia på grund av dess gravitationspåverkan, men vi har ännu inte kunnat fånga den direkt. Detta dolda massfenomen har kodnamnet "mörk materia".
Modern vetenskap, särskilt kosmologi, arbetar enligt Sherlock Holmes deduktiva metod
Nu är huvudkandidaten från WISP-gruppen axionen, som uppstår i teorin om den starka interaktionen och har en mycket liten massa. En sådan partikel kan förvandlas till ett foton-fotonpar i höga magnetfält, vilket ger tips om hur man kan försöka upptäcka den. ADMX-experimentet använder stora kammare som skapar ett magnetfält på 80 000 gauss (det är 100 000 gånger jordens magnetfält). I teorin borde ett sådant fält stimulera sönderfallet av en axion till ett foton-fotonpar, vilket detektorer borde fånga upp. Trots många försök har det ännu inte varit möjligt att upptäcka WIMPs, axioner eller sterila neutriner.
Således har vi rest genom ett stort antal olika hypoteser för att försöka förklara den märkliga närvaron av den dolda massan, och efter att ha förkastat alla omöjligheter med hjälp av observationer har vi kommit fram till flera möjliga hypoteser som vi redan kan arbeta med.
Ett negativt resultat i vetenskapen är också ett resultat, eftersom det ger begränsningar för olika parametrar för partiklar, till exempel eliminerar det omfånget av möjliga massor. Från år till år ger fler och fler nya observationer och experiment i acceleratorer nya, strängare restriktioner för massan och andra parametrar för mörk materia partiklar. Således, genom att kasta ut alla omöjliga alternativ och minska cirkeln av sökningar, kommer vi dag för dag närmare att förstå vad 95% av materien i vårt universum består av.
