Розрахунки вчених показали, що Всесвіт на 95% складається з поки що не дослідженого людьми речовини: 70% припадає на темну енергію, а 25% - на темну матерію. Передбачається, що перша являє собою поле з ненульовою енергією, а ось друга складається з частинок, які можна виявити і вивчити.
Але не дарма цю речовину називають прихованою масою – її пошуки тривають чималий час та супроводжуються спекотними дискусіями серед фізиків. Для того, щоб донести свої дослідження до громадськості, ЦЕРН навіть ініціював День темної матерії, що вперше відзначається сьогодні, 31 жовтня.
Прихильники існування темної матерії наводять досить вагомі аргументи, підтверджені експериментальними фактами. Її визнання почалося в тридцятих роках XX століття, коли швейцарський астроном Фріц Цвіккі виміряв швидкості, з якими галактики скупчення Волосся Вероніки рухаються навколо загального центру. Як відомо, швидкість руху залежить від ваги. Розрахунки вченого показали, що справжня маса галактик має бути набагато більшою, ніж визначена у процесі спостережень за допомогою телескопів. Виходило, що досить велика частина галактик просто не видно нам. Отже, вона складається з матерії, яка не відбиває і не поглинає світло.
Другим підтвердженням існування прихованої маси є зміна світла під час проходження через галактики. Справа в тому, що будь-який об'єкт, що володіє масою, спотворює прямолінійний хід променів світла. Таким чином, темна матерія внесе свої зміни у світлову картину (зображення віддаленого об'єкта), і та відрізнятиметься від картини, яка створювалася б тільки видимою речовиною. Існує десять свідчень існування темної матерії, але описані два належать до основних.
© 2012 The Authors Monthly Опубліковано в Royal Astronomical Society, 2012 RAS
Знімок скупчення галактик. Лініями показані "обриси" темної матерії
Хоча докази існування темної матерії є досить переконливими, поки ніхто не знайшов і не вивчив частинки, з яких вона складається. Фізики припускають, що така скритність обумовлена двома причинами. Перша полягає в тому, що ці частинки мають надто високу масу (пов'язану з енергією через формулу E=mc²), тому можливостей сучасних прискорювачів просто не вистачає для "народження" такої частки. Друга причина полягає у дуже малій ймовірності появи темної матерії. Можливо, ми не можемо знайти її саме через те, що вона вкрай слабко взаємодіє з людським тілом та відомими нам частинками. Хоча темна матерія всюди (згідно з розрахунками) та її частинки буквально проносяться через нас кожну секунду, ми просто цього не відчуваємо.
Для виявлення частинок темної матерії вчені використовують детектори, які розташовані під Землею для мінімізації зайвих впливів. Передбачається, що зрідка частинки темної матерії все ж таки стикаються з атомними ядрами, передають їм частину імпульсу, вибивають електрони і викликають спалахи світла. Частота таких зіткнень залежить від ймовірності взаємодії частинок темної матерії з ядром, їхньої концентрації та відносної швидкості (з урахуванням руху Землі навколо Сонця). Але експериментальні групи навіть при виявленні певного впливу заперечують, що цей відгук детектора викликала темна матерія. І тільки італійська експериментальна група DAMA, що працює в підземній лабораторії Гран-Сассо, повідомляє про спостерігаються річні варіації швидкості рахунку сигналів, ймовірно пов'язаних з рухом Землі крізь галактичну приховану масу.
Детектор для виявлення темної матерії
У цьому експерименті протягом кількох років вимірюються кількість та енергія спалахів світла всередині детектора. Дослідники довели наявність слабких (близько 2%) річних коливань швидкості рахунку таких подій.
Хоча італійська група впевнено відстоює надійність проведених експериментів, думки вчених із цього приводу є досить неоднозначними. Основне слабке місце результатів, отриманих італійською групою, – їхня неповторність. Наприклад, коли відкрили гравітаційні хвилі, їх засікали лабораторії у світі, цим підтверджуючи отримані іншими групами дані. У випадку з DAMA справа інакша - більше ніхто у світі не може похвалитися наявністю таких же результатів! Звичайно, є можливість того, що ця група має більш потужні детектори або свої методи, але така унікальність експерименту викликає у деяких дослідників сумніви в його достовірності.
"Поки не можна точно сказати, до чого відносяться дані, зібрані в лабораторії Гран-Сассо. У будь-якому випадку група з Італії надала позитивний результат, а не заперечення чогось, що вже сенсація. Тепер знайденим сигналам необхідно шукати пояснення. І це чудовий стимул до розвитку найрізноманітніших теорій, у тому числі присвячених створенню моделі прихованої маси, але навіть якщо вчений намагається пояснити, чому отримані дані жодним чином не належать до темної матерії, це все одно може стати новим кроком у розумінні Природи. треба продовжувати роботу. Але повністю погодитися, що темну матерію знайдено, особисто я на даний момент не можу", - коментує Костянтин Білоцький, провідний науковий співробітник Кафедри фізики елементарних частинок НДЯУ "МІФІ".
Темна матерія не випромінює і не поглинає світло, практично не взаємодіє зі «звичайною» матерією, вченим поки що не вдалося зловити жодної «темної» частинки. Але без неї не міг би існувати знайомий нам Всесвіт, та й ми самі. У День темної матерії, який відзначається 31 жовтня (фізики вирішили, що - якраз слушний час, щоб влаштувати свято на честь темної та невловимої субстанції), N+1розпитав завідувача відділу теоретичної астрофізики Астрокосмічного центру ФІАН Андрія Дорошкевича про те, що таке темна матерія і чому вона така важлива.
N + 1: Наскільки вчені впевнені сьогодні, що темна матерія справді існує?
Андрій Дорошкевич:Головне свідчення – це спостереження флуктуацій реліктового випромінювання, тобто результати, які за останні 15 років одержали космічні апарати WMAP та «».
Вони з високою точністю вимірювали обурення температури космічного мікрохвильового фону, тобто реліктового випромінювання. Ці обурення збереглися з епохи рекомбінації, коли іонізований водень перетворився на нейтральні атоми.
Ці виміри показали присутність флуктуацій, дуже невеликих, приблизно одну десятитисячну кельвіна. Але коли вони почали порівнювати ці дані з теоретичними моделями, виявили важливі відмінності, які не можна пояснити ніяк інакше, крім як присутністю темної матерії. Завдяки цьому вони з точністю до відсотків змогли порахувати частки темної та звичайної матерії у Всесвіті.
Розподіл речовини у Всесвіті (зліва направо) до та після появи даних телескопа «Планк»
Вчені робили безліч спроб позбутися невидимої і невідчутної темної матерії, створювалися теорії модифікованої гравітації, наприклад MOND, які намагаються пояснити ефекти, що спостерігаються. Чому моделі з темною матерією краще?
Ситуація дуже проста: сучасна ейнштейнівська теорія гравітації добре виконується на земних масштабах, супутники літають у суворій відповідності до цієї теорії. І вона добре виконується на космологічних масштабах. А всі сучасні моделі, що змінюють гравітацію, не можуть пояснити все. Вони вносять нові постійні закон Ньютона, що дозволяє пояснити ефекти присутності темної матерії лише на рівні галактик, але промахуються на космологічному масштабі.
Чи може тут допомогти відкриття гравітаційних хвиль? Можливо, воно допоможе відкинути якісь з теорій?
Те, що зараз виміряли гравітаційні хвилі – це величезний технічний, а не науковий успіх. Те, що вони існують, було відомо 40 років тому, коли було виявлено (непрямо) гравітаційне випромінювання від подвійного пульсара. Спостереження гравітаційних хвиль ще раз підтвердили існування чорних дірок, хоча ми в цьому і раніше не сумнівалися, але тепер у нас тут є більш-менш пряме свідчення.
Форма ефекту, зміни гравітаційних хвиль залежно від потужності можуть нам дати дуже корисну інформацію, але потрібно чекати ще років п'ять-десять, поки у нас накопичиться достатньо даних для уточнення теорій гравітації.
Як вчені дізналися про темну матерію
Історія темної матерії почалася в 1933 році, коли астроном Фріц Цвіккі досліджував розподіл швидкостей галактик у скупченні, розташованому в сузір'ї Волосся Вероніки. Він виявив, що галактики в скупченні рухаються дуже швидко, і якщо брати до уваги лише видиму речовину, скупчення не могло б бути стабільним - галактики просто розкидало б у різні боки.
У статті, опублікованій 16 лютого 1933 року, Цвіккі припустив, що їх утримує разом невидима речовина, що тяжіє - Dunkle Materie.
Трохи пізніше невідповідність між «видимою» масою галактик та параметрами їхнього руху підтвердили й інші астрономи.
1958 року радянський астрофізик Віктор Амбарцумян запропонував своє рішення парадоксу Цвіккі. На його думку, скупчення галактик не містять жодної невидимої матерії, яка б утримувала їх гравітаційно. Ми просто спостерігаємо скупчення у процесі розпаду. Однак більшість астрономів не прийняли це пояснення, оскільки в цьому випадку термін життя скупчень становив би не більше одного мільярда років, а враховуючи, що термін існування Всесвіту в десять разів більше, до сьогоднішнього дня скупчень просто не залишилося б.
Загальноприйняті ставлення до темної матерії свідчать, що вона складається з вимпів (WIMP), масивних частинок, майже взаємодіючих із частинками звичайної матерії. Що можна сказати про їхні властивості?
У них досить велика маса – і це майже все, навіть точну масу ми назвати не можемо. Вони без зіткнень пробігають великі відстані, але обурення щільності в них не згасають навіть на порівняно малих масштабах – і це єдине, що нам потрібне сьогодні для моделей.
Реліктове випромінювання дає нам характеристики темної матерії великих масштабів, для масштабів скупчень галактик. Але щоб «спуститися» на масштаби малих галактик, ми змушені скористатися теоретичними моделями.
Саме існування невеликих галактик свідчить, що у відносно невеликих масштабах існували неоднорідності, що виникли невдовзі після Великого вибуху. Такі неоднорідності можуть згасати, розгладжуватися, але ми знаємо точно, що вони не згасли в масштабах маленьких галактик. Це говорить про те, що ці частинки темної матерії повинні мати такі властивості, щоб ці обурення збереглися.
Чи правильно говорити, що зірки могли виникати лише завдяки темній матерії?
Не зовсім. Без темної матерії не могли виникнути галактики, а зірки не можуть формуватися поза галактиками. На відміну від темної матерії баріони завжди гарячі, вони взаємодіють з реліктовим випромінюванням. Тому самостійно вони не можуть збиратися у зірки, гравітація баріонів зіркової маси не може подолати їхнього тиску.
Частинки темної матерії діють як невидимий цемент, що стягує баріони в галактики, а потім уже в них починається процес утворення зірок. Темної матерії вшестеро більше, ніж баріонів, вона «керує», а баріони лише за нею тягнуться.
Ксеноновий детектор частинок темної матерії XENON1T
Колаборація Xenon100
А чи багато темної матерії довкола нас?
Вона є скрізь, питання лише у тому, скільки її. Вважається, що у нашій Галактиці маса темної матерії – дещо менше 10 відсотків.
Але вже в околицях Галактики темної матерії більше ми можемо бачити ознаки присутності навколо як нашої, так і інших зіркових систем. Звичайно, ми бачимо його завдяки баріонам, ми їх спостерігаємо і розуміємо, що вони «тримаються» там лише завдяки присутності темної матерії.
Як вчені шукають темну матерію
З кінця 80-х фізики проводять експерименти на установках глибоко під землею у спробах вловити зіткнення окремих частинок темної матерії. За минулі 15 років колективна чутливість цих експериментів зростала експоненційно, подвоюючи в середньому щороку. Дві великі колаборації, XENON і PandaX-II, нещодавно запустили нові, ще чутливіші детектори.
Перша з них збудувала найбільший у світі детектор темної матерії XENON1T. У ньому використовується 2000-кілограмова мета з рідкого ксенону, поміщена в бак з водою висотою 10 метрів. Все це знаходиться під землею на глибині 1,4 кілометра в Національній лабораторії Гран-Сассо (Італія). Установка PandaX-II похована на глибині 2,4 кілометра в китайській провінції Сичуань і містить 584 кілограми рідкого ксенону.
Обидва експерименти використовують ксенон, тому що він вкрай інертний, а це допомагає утримувати низький рівень шуму. Крім того, ядра атомів ксенону відносно важкі (містять в середньому 131 нуклон на ядро), що дає «велику» мішень для частинок темної матерії. Якщо одна з таких частинок зіткнеться з ядром атома ксенону, це породить слабкий, але вловимий спалах світла (сцинтиляцію) та утворення електричного заряду. Спостереження навіть небагатьох таких подій може дати нам важливі дані про природу темної матерії.
Поки ні цим, ні будь-яким іншим експериментам не вдалося виявити частинок темної матерії, але це мовчання може бути використане для того, щоб встановити верхню межу ймовірності зіткнень частинок темної матерії з частинками звичайної.
Частинки темної матерії можуть утворювати скупчення, як частинки звичайної матерії?
Можуть, але все питання у тому, якою щільністю. З погляду астрофізики і галактики - щільні об'єкти, їх щільність становить близько одного протона на кубічний сантиметр, і зірки - щільні об'єкти, щільність порядку грама на кубічний сантиметр. Але між ними 24 порядки різниці. Як правило, хмари з темної матерії мають «галактичну» густину.
Чи є шанси численні з пошуку частинок темної матерії?
Вони намагаються зловити взаємодії окремих частинок темної матерії з атомами звичайної речовини, як це роблять із нейтрино. Але їх упіймати дуже непросто, і не факт, що це взагалі можливо.
Телескоп CAST (CERN Axion Solar Telescope) в ЦЕРН шукає гіпотетичні частки - аксіони, з яких може складатися темна матерія.
Можливо, темна матерія взагалі складається з про «дзеркальних» частинок , які у принципі можна спостерігати лише з їхньої гравітації. Гіпотеза другого «дзеркального» Всесвіту була запропонована півстоліття тому, це свого роду подвоєння реальності.
Реальні спостереження у нас є лише з космології.
Розмовляв Сергій Кузнєцов
МОСКВА, 31 жовт - РІА Новини, Ольга Коленцова.Розрахунки вчених показали, що Всесвіт на 95% складається з поки не дослідженого людьми речовини: 70% посідає темну енергію, а 25% — темну матерію. Передбачається, що перша являє собою поле з ненульовою енергією, а ось друга складається з частинок, які можна виявити і вивчити. Але не дарма цю речовину називають прихованою масою - її пошуки тривають чималий час і супроводжуються спекотними дискусіями серед фізиків. Для того, щоб донести свої дослідження до громадськості, ЦЕРН навіть ініціював День темної матерії, що вперше відзначається сьогодні, 31 жовтня.
Прихильники існування темної матерії наводять досить вагомі аргументи, підтверджені експериментальними фактами. Її визнання почалося в тридцятих роках XX століття, коли швейцарський астроном Фріц Цвіккі виміряв швидкості, з якими галактики скупчення Волосся Вероніки рухаються навколо загального центру. Як відомо, швидкість руху залежить від ваги. Розрахунки вченого показали, що справжня маса галактик має бути набагато більшою, ніж визначена у процесі спостережень за допомогою телескопів. Виходило, що досить велика частина галактик просто не видно нам. Отже, вона складається з матерії, яка не відбиває і не поглинає світло.
Другим підтвердженням існування прихованої маси є зміна світла під час проходження через галактики. Справа в тому, що будь-який об'єкт, що володіє масою, спотворює прямолінійний хід променів світла. Таким чином, темна матерія внесе свої зміни у світлову картину (зображення віддаленого об'єкта), і та відрізнятиметься від картини, яка створювалася б тільки видимою речовиною. Існує десять свідчень існування темної матерії, але описані два належать до основних.
© 2012 The Authors Monthly Опубліковано в Royal Astronomical Society, 2012 RAS
© 2012 The Authors Monthly Опубліковано в Royal Astronomical Society, 2012 RAS
Хоча докази існування темної матерії є досить переконливими, поки ніхто не знайшов і не вивчив частинки, з яких вона складається. Фізики припускають, що така скритність обумовлена двома причинами. Перша полягає в тому, що ці частинки мають занадто високу масу (пов'язану з енергією через формулу E=mc² ), тому можливостей сучасних прискорювачів просто не вистачає для "народження" такої частки. Друга причина полягає у дуже малій ймовірності появи темної матерії. Можливо, ми не можемо знайти її саме через те, що вона вкрай слабко взаємодіє з людським тілом та відомими нам частинками. Хоча темна матерія всюди (згідно з розрахунками) та її частинки буквально проносяться через нас кожну секунду, ми просто цього не відчуваємо.
Для виявлення частинок темної матерії вчені використовують детектори, які розташовані під Землею для мінімізації зайвих впливів. Передбачається, що зрідка частинки темної матерії все ж таки стикаються з атомними ядрами, передають їм частину імпульсу, вибивають електрони і викликають спалахи світла. Частота таких зіткнень залежить від ймовірності взаємодії частинок темної матерії з ядром, їхньої концентрації та відносної швидкості (з урахуванням руху Землі навколо Сонця). Але експериментальні групи навіть при виявленні певного впливу заперечують, що цей відгук детектора викликала темна матерія. І тільки італійська експериментальна група DAMA, що працює в підземній лабораторії Гран-Сассо, повідомляє про спостерігаються річні варіації швидкості рахунку сигналів, ймовірно пов'язаних з рухом Землі крізь галактичну приховану масу.
© Фото: SuperCMDS Collaboration
У цьому експерименті протягом кількох років вимірюються кількість та енергія спалахів світла всередині детектора. Дослідники довели наявність слабких (близько 2%) річних коливань швидкості рахунку таких подій.
Хоча італійська група впевнено відстоює надійність проведених експериментів, думки вчених із цього приводу є досить неоднозначними. Основне слабке місце результатів, отриманих італійською групою, – їхня неповторність. Наприклад, коли відкрили гравітаційні хвилі, їх засікали лабораторії у світі, цим підтверджуючи отримані іншими групами дані. У випадку з DAMA справа інакша — більше ніхто у світі не може похвалитися наявністю таких самих результатів! Звичайно, є можливість того, що ця група має більш потужні детектори або свої методи, але така унікальність експерименту викликає у деяких дослідників сумніви в його достовірності.
"Поки не можна точно сказати, до чого відносяться дані, зібрані в лабораторії Гран-Сассо. У будь-якому випадку група з Італії надала позитивний результат, а не заперечення чогось, що вже сенсація. Тепер знайденим сигналам необхідно шукати пояснення. І це чудовий стимул до розвитку найрізноманітніших теорій, у тому числі присвячених створенню моделі прихованої маси, але навіть якщо вчений намагається пояснити, чому отримані дані жодним чином не належать до темної матерії, це все одно може стати новим кроком у розумінні Природи. треба продовжувати роботу. Але повністю погодитися, що темну матерію знайдено, особисто я на даний момент не можу", - коментує Костянтин Білоцький, провідний науковий співробітник Кафедри фізики елементарних частинок НДЯУ "МІФІ".
Теоретична конструкція у фізиці, звана Стандартною моделлю, описує взаємодії всіх відомих науці елементарних частинок. Але це всього 5% існуючої у Всесвіті речовини, решта ж 95% мають зовсім невідому природу. Що є ця гіпотетична темна матерія і як вчені намагаються її виявити? Про це в рамках спецпроекту розповідає Айк Акопян, студент МФТІ та співробітник кафедри фізики та астрофізики.
Стандартна модель елементарних частинок, остаточно підтверджена після виявлення бозона Хіггса, описує фундаментальні взаємодії (електрослабке та сильне) відомих нам звичайних частинок: лептонів, кварків та переносників взаємодії (бозонів та глюонів). Однак виявляється, що вся ця величезна складна теорія визначає лише близько 5-6% всієї матерії, тоді як решта цієї моделі ніяк не вписується. Спостереження ранніх моментів життя нашого Всесвіту показують нам, що приблизно 95% матерії, що оточує нас, має зовсім невідому природу. Іншими словами, ми опосередковано бачимо присутність цієї прихованої матерії через її гравітаційний вплив, проте прямо зловити її поки що не вдавалося. Це прихованої маси отримало кодову назву «темна матерія».
Сучасна наука, особливо космологія, працює за дедуктивним методом Шерлока Холмса
Зараз основним кандидатом із групи WISP є аксіон, що виникає в теорії сильної взаємодії і має дуже малу масу. Така частка здатна у великих магнітних полях перетворюватися на фотон-фотонну пару, що дає натяки на те, як можна спробувати її виявити. В експерименті ADMX використовують великі камери, де створюється магнітне поле в 80 000 гаус (це в 100 000 разів більше магнітного поля Землі). Таке поле теоретично має стимулювати розпад аксіону на фотон-фотонну пару, що й повинні зловити детектори. Незважаючи на численні спроби поки виявити WIMP, аксіони або стерильні нейтрино не вдалося.
Таким чином, ми подорожували через величезну кількість різних гіпотез, які прагнуть пояснити дивну наявність прихованої маси, і, відкинувши за допомогою спостережень все неможливе, дійшли кількох можливих гіпотез, з якими можна працювати.
Негативний результат у науці - це теж результат, тому що він дає обмеження на різні параметри частинок, наприклад, відсіює діапазон можливих мас. З року в рік нові і нові спостереження та експерименти в прискорювачах дають нові, суворіші обмеження на масу та інші параметри частинок темної матерії. Таким чином, викидаючи всі неможливі варіанти і звужуючи коло пошуків, ми з кожним днем стаємо все ближче до розумію, з чого все-таки складається 95% матерії в нашому Всесвіті.
