Несмотря на десятилетия сложнейших экспериментов и усилия выдающихся умов современности, поиски тёмной материи продолжаются. Учёные предполагают, что она может составлять около четверти всей энергетической плотности Вселенной. Однако все попытки её прямого обнаружения пока оказались безуспешными.
Эта загадочная субстанция не поглощает и не излучает свет. Более того, она не взаимодействует с тремя из четырёх фундаментальных сил природы. Именно эти свойства делают её невероятно трудноуловимой.
Исследователи по всему миру пытаются приоткрыть тайну тёмной материи. Одни ведут поиски гипотетических частиц WIMP на Большом адронном коллайдере (LHC), другие используют сверхчувствительные детекторы аксионов, созданные в Университете Вашингтона. Некоторые теории предполагают существование скрытых измерений, другие же связывают тёмную материю с чёрными дырами и нейтронными звёздами.
Несмотря на отсутствие прямых доказательств, подавляющее большинство астрофизиков уверено: тёмная материя существует. Космические явления, такие как вращение галактик, невозможно объяснить законами классической физики без предположения о наличии невидимой субстанции.
10. Слабо взаимодействующая массивная частица (WIMP)
На протяжении десятилетий самым популярным кандидатом на роль тёмной материи считалась слабо взаимодействующая массивная частица — WIMP. Эта гипотетическая частица была предложена ещё в 1970-х годах как дополнение к Стандартной модели физики. Согласно теории, космос наполнен невидимыми, электрически нейтральными частицами, возникшими вскоре после Большого взрыва.
Идея невидимых частиц не нова. Учёные уже знакомы с нейтрино — трудноловимой субатомной частицей с крошечной массой, близкой к нулю. Однако WIMP, по предположению, должны быть значительно тяжелее и двигаться гораздо медленнее. Эти частицы якобы собираются в плотные скопления и сложные структуры. Если, конечно, они действительно существуют.
Тем не менее, ни один из многочисленных экспериментов не смог обнаружить WIMP. Первоначально предполагалось, что Большой адронный коллайдер поможет прояснить их природу. Но спустя почти десятилетие после запуска никаких следов найдено не было. Аналогично, сверхчувствительные резервуары с жидким ксеноном, размещённые глубоко под землёй в Южной Дакоте, также не дали результата.
Постоянные неудачи в поисках поставили гипотезу о WIMP под сомнение. Один астрофизик в статье для Forbes сравнил эти поиски с «пьяным, который ищет потерянные ключи под фонарём». Несмотря на это, преждевременно полностью отказываться от гипотезы нельзя. Но всё больше учёных склоняются к необходимости поиска альтернативных моделей тёмной материи.
9. Компактные астрофизические объекты гало (MACHO)
Менее экзотическое объяснение тёмной материи связано с так называемыми MACHO — массивными астрофизическими компактными объектами гало. К ним относят чёрные дыры, нейтронные звёзды и коричневые карлики. Эти объекты состоят из обычной материи, но излучают крайне мало света или вовсе не испускают его.
Наблюдать MACHO напрямую невозможно. Вместо этого учёные используют метод микролинзирования — изучение того, как массивные объекты искажают свет далёких звёзд. Под действием огромной гравитации MACHO искривляют лучи света, заставляя их казаться более яркими.
Степень искажения зависит от массы объекта. Анализируя такие изменения, астрономы могут вычислить количество скрытой материи. Однако найденных MACHO оказалось слишком мало, чтобы они могли объяснить всю тёмную материю во Вселенной. Поэтому поиски продолжаются.
8. Аксион
Аксионы — это гипотетические нейтральные частицы, движущиеся очень медленно и имеющие массу примерно в миллиард раз меньше массы электрона. Они крайне слабо взаимодействуют со светом и веществом, что делает их труднейшими для обнаружения, но при этом потенциально подходящими для объяснения тёмной материи.
Считается, что аксионы могут существовать лишь в узком диапазоне масс. Если бы они были значительно тяжелее или легче, их уже давно удалось бы зафиксировать. Именно поэтому проверка гипотезы аксионов считается относительно «простой» задачей по сравнению с другими кандидатами.
В апреле 2018 года астрофизики из Университета Вашингтона начали эксперимент ADMX (Axion Dark Matter Experiment). Согласно теории, проходя через магнитное поле, аксионы способны распадаться на два фотона. Если аксионы из Млечного Пути постоянно пролетают через Землю, то мощный магнит установки мог бы превращать их в микроволновые фотоны. Чрезвычайно чувствительный детектор должен был уловить эти сигналы. Однако пока никаких подтверждений обнаружено не было.
7. Гравитино
Гипотеза о гравитино уводит нас в глубины теоретической физики. В 1960–1970-х годах учёные разработали теорию суперсимметрии, чтобы восполнить пробелы, оставленные Стандартной моделью.
Согласно этой теории, у каждой частицы (например, электрона, фотона или бозона Хиггса) должен существовать гипотетический партнёр. Эти частицы-аналогы обладают схожими свойствами, но отличаются фундаментальными характеристиками, например, спином.
Отдельная теория предполагает существование гравитона — безмассовой частицы, которая передаёт силу гравитации, подобно тому, как фотон переносит электромагнитное взаимодействие. Если объединить обе идеи, возникает гравитино — гипотетическая суперсимметричная частица-партнёр гравитона. Некоторые физики полагают, что именно она может составлять тёмную материю.
6. Частицы Калузы — Клейна
Наш мир принято описывать через четыре измерения: три пространственных и время. Но уже больше века учёные размышляют, могут ли существовать дополнительные измерения.
Теоретики Теодор Калуза и Оскар Клейн в 1921 году расширили общую теорию относительности Эйнштейна и предположили наличие скрытого пятого измерения. Их модель включала целый спектр гипотетических частиц, и самая лёгкая из них может быть кандидатом на роль тёмной материи.
Особенность частиц Калузы — Клейна (KK-частиц) заключается в том, что их можно потенциально обнаружить напрямую. Когда две такие частицы сталкиваются, они аннигилируют друг друга, высвобождая фотоны и нейтрино. Эти частицы можно уловить по характерным энергетическим сигналам.
Большой адронный коллайдер продолжает искать доказательства существования дополнительных измерений и KK-частиц. Но до сих пор никаких результатов не получено.
5. «Пушистая» тёмная материя
«Пушистая» тёмная материя — относительно новая гипотеза, появившаяся в начале XXI века. До этого лишь небольшие группы физиков обсуждали её и почти не общались друг с другом. Поэтому у теории есть несколько независимых названий: скалярная тёмная материя, волновая тёмная материя, ультралёгкие аксионоподобные частицы, «жидкая» или «отталкивающая» тёмная материя.
Суть всех версий схожа. Согласно гипотезе, тёмная материя образована огромным числом микроскопических частиц с крайне малой массой. При чрезвычайно низких температурах они сливаются в особое состояние вещества — конденсат Бозе — Эйнштейна. В таком состоянии частицы теряют почти всю энергию и начинают вести себя как единое целое.
Каждая частица по отдельности не оказывает заметного влияния на окружение. Но вместе они способны искажать свет далёких звёзд. Масштаб искажения зависит от массы этих частиц. Поэтому учёные ищут следы «пушистой» тёмной материи, анализируя архивные данные обсерваторий, например массива Very Long Baseline Array в Нью-Мексико.
4. Самовзаимодействующая тёмная материя
Одной из главных проблем тёмной материи является её «непослушное» поведение. Компьютерные модели предсказывают, что она должна концентрироваться в центре галактик, образуя плотное ядро с постепенным уменьшением плотности наружу. Это распределение получило название «острое ядро» (cusp distribution).
Но наблюдения показывают обратное: тёмная материя чаще образует ореол вокруг галактик, а не сосредотачивается в центре. Такое распределение называют «плоским ядром» (core distribution). Именно это несоответствие породило проблему «cusp–core».
Чтобы её объяснить, была предложена гипотеза самовзаимодействующей тёмной материи. Согласно модели, частицы тёмной материи могут взаимодействовать между собой через неизвестные физике силы. Это объясняло бы необычное распределение вещества.
Однако не все учёные согласны с этим. Альтернативная теория — «нагрев тёмной материи» — предполагает, что частицы выбрасываются из центра галактики за счёт энергии и потоков вещества, возникающих при рождении звёзд.
3. Стерильные нейтрино
Исследования нейтрино — одна из самых увлекательных областей современной физики. В 2015 году Такааки Кадзита и Артур Б. Макдональд получили Нобелевскую премию за открытие того, что нейтрино способны изменять свой «тип» (или «вкус») во время движения по Вселенной.
Сегодня известно три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Но все они слишком быстрые и лёгкие, чтобы составлять тёмную материю. Поэтому исследователи из Фермилаба (США) ищут четвёртый тип — стерильное нейтрино, которое может быть подходящим кандидатом.
В рамках эксперимента MiniBooNE учёные направляют мощные потоки частиц на огромный сферический детектор, наполненный более чем 800 тоннами минерального масла. В 2018 году были получены данные, намекающие на существование стерильных нейтрино. Однако в 2019 году другой эксперимент — MINOS+ — показал противоположные результаты. Поэтому единого мнения пока нет.
2. Тёмные фотоны
Как известно, фотон является квантовой частицей света и переносчиком электромагнитного взаимодействия. Чтобы объяснить природу тёмной материи, некоторые учёные выдвинули гипотезу о «тёмных фотонах» — частицах, аналогичных обычным фотонам, но с крайне малой массой.
Считается, что гравитационные волны — рябь в пространстве-времени — могут помочь в поиске этих частиц. Если тёмные фотоны действительно существуют, то их уникальные сигналы смогут уловить чувствительные детекторы вроде LIGO и Virgo.
Кроме того, в ближайшие годы планируется запуск космической обсерватории LISA — первого орбитального детектора гравитационных волн. Учёные надеются, что это приблизит нас к разгадке тайны тёмной материи.
1. Тёмная материя не существует
Со временем отсутствие доказательств заставило некоторых физиков усомниться в самой идее тёмной материи. Возможно, её вообще нет, а загадочные явления имеют иное объяснение.
Одним из главных скептиков является израильский физик Мордехай Мильгром. В 1980-х он предложил альтернативную теорию — модифицированную ньютоновскую динамику (MOND). Согласно его идее, законы Ньютона перестают работать на масштабах целых галактик. Если это так, то тёмная материя вовсе не нужна для объяснения необычного движения звёзд на их окраинах.
В истории науки подобные ошибки уже случались. В XIX веке считалось, что Вселенная наполнена «светоносным эфиром», необходимым для распространения света. Но эксперимент Майкельсона — Морли 1887 года показал, что эфира не существует. Именно поэтому Мильгром сравнивает тёмную материю с «эфиром нашего времени».
Существует ли тёмная материя и в какой форме — это одна из величайших загадок современной науки. Будущее может показать, что все перечисленные теории ошибочны. Но не исключено, что мы находимся буквально в шаге от прорыва. С каждым новым экспериментом и каждым «нулевым» результатом мы всё ближе подходим к истине.
