Тёмная материя — одна из самых больших загадок современной науки. Учёные уверены, что она составляет значительную часть Вселенной, но при этом остаётся невидимой и неуловимой. Мы не можем наблюдать её напрямую, однако её гравитационное влияние заметно в движении галактик и строении космоса. В этой статье мы разберёмся, что известно о тёмной материи сегодня, почему её поиск так важен и какие открытия она может подарить человечеству в будущем.
Почему тёмная материя важна
Несмотря на то что тёмная материя существует столько же, сколько и сама Вселенная, за пределами научных кругов о ней говорят нечасто. Возможно, причина в том, что кроме недолговечной серии SyFy и позднего альбома Рэнди Ньюмана, эта загадочная «звёздная пыль» так и не пробилась в массовую культуру.
Однако правда в том, что тёмная материя важна как никогда. Наша собственная галактика Млечный Путь погружена в гигантское облако этой материи. Учёные ищут её следы глубоко в недрах Земли. Более того, известны целые галактики, где её вовсе нет.
Так что же такое тёмная материя? Почему учёные так упорно ищут её, хотя пока не могут найти напрямую? Какие тайны она скрывает? И может ли она в итоге повлиять на будущее человечества?
Загадка тёмной материи
История изучения тёмной материи показывает, насколько ускользающей может быть эта субстанция.
Впервые гипотеза о её существовании появилась в 1933 году. Физики заметили, что в галактиках не хватает наблюдаемой материи, чтобы удерживать их от распада. К тому же скорость вращения галактик не соответствовала результатам, ожидаемым по стандартным физическим моделям.
Дальнейшие серьёзные исследования начались лишь в 1970-е годы. Тогда в распоряжении учёных появились новые приборы: приёмники, телескопы для регистрации гамма-излучения и мощные радиотелескопы. Благодаря им удалось подтвердить ранние расчёты и наблюдения. Особенно важными оказались эффекты гравитационного линзирования, когда массивная материя искривляет свет между источником и наблюдателем. Всё это убедительно намекало: во Вселенной есть некая материя, которую можно фиксировать косвенно, но невозможно увидеть.
«Всё, что вы видите, чувствуете и из чего состоите, составляет лишь 5 процентов Вселенной. Остальное — это тёмная субстанция, и мы до сих пор не знаем, что это такое», — говорит Ребекка Лин, теоретический физик из MIT, защитившая диссертацию по феноменологии тёмной материи.
Сегодня физики оценивают, что около 27 процентов Вселенной приходится на тёмную материю. Остальные 68 процентов — это ещё более загадочное явление, получившее название тёмная энергия.
Почему её невозможно увидеть
«Главная особенность тёмной материи в том, что мы не можем её наблюдать напрямую, — объясняет Итан Браун, профессор физики в Политехническом институте Ренсселера. — Она не взаимодействует со светом».
Обычно материю и энергию во Вселенной фиксируют через четыре взаимодействия:
электромагнитное излучение (свет),
гравитацию,
сильное ядерное взаимодействие, удерживающее вещество,
слабое ядерное взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад.
Тёмная материя не проявляет себя почти ни в одном из этих способов, кроме гравитации. Но это не мешает физикам придумывать всё новые методы её поиска.
Например, один из проектов Брауна связан с изучением взаимодействия тёмной материи с обычным веществом через изотопы ксенона. Ксенон-124 имеет период полураспада в триллионы раз больше возраста Вселенной. Огромные резервуары с этим веществом прячут глубоко в земной коре. Это нужно для защиты от электромагнитных помех. Через километры плотных пород могут пройти лишь тёмная материя и некоторые субатомные частицы вроде мюонов и нейтрино.
В такой «тихой комнате», как предполагается, возможны только два варианта: сверхмедленный естественный радиоактивный распад ксенона-124 или его взаимодействие с редкими частицами, включая тёмную материю. Если частица тёмной материи выбьет электрон, эксперимент Xenon1T сможет это зарегистрировать.
Пока прямых столкновений с тёмной материей учёные не зафиксировали. Зато они наблюдали другие редчайшие явления, например распад ксенона-124 — событие, которое считается самым редким в истории науки.
Что известно о тёмной материи
Учёные знают гораздо больше о том, чем тёмная материя не является, чем о том, чем она является.
Во-первых, это не тёмная энергия. Последняя — особая форма энергии, существование которой подтверждается лишь косвенно. Она проявляется через ускоренное расширение Вселенной, что невозможно объяснить законами обычной материи.
Во-вторых, это не антиматерия. Антиматерия состоит из частиц, противоположных по заряду обычным. При столкновении с материей она уничтожается, высвобождая гамма-излучение. Тёмная материя такого эффекта не даёт.
Наконец, тёмная материя — это не разновидность известных классов частиц вроде адронов, лептонов или бозонов. Последние когда-то считались лишь теорией, но теперь обнаружены в ускорителях частиц. Их свойства не соответствуют тому, что мы ищем.
Тем не менее лептоны и бозоны дают нам подсказку. Вероятно, тёмная материя состоит из совершенно иного класса частиц. Наиболее перспективная гипотеза связана с WIMPs — «слабо взаимодействующими массивными частицами».
Несмотря на скромное название, WIMPs, как предполагается, в тысячу раз тяжелее протонов. Их свойства хорошо согласуются с расчётами количества тёмной материи во Вселенной. Этот эффект даже получил название «чудо WIMP».
Но WIMPs — далеко не единственный кандидат. Есть гипотеза о первичных чёрных дырах, образовавшихся после Большого взрыва. Однако наблюдения не подтверждают её для определённых масс таких объектов. Существуют также теории о частицах SIMPs, аксионах и множестве других кандидатов.
«Теорий так много, что я никогда не смогу изучить их все», — признаётся Браун.
Галактики без тёмной материи
Иногда наука подбрасывает неожиданные сюрпризы. Учёные Йельского университета обнаружили две галактики, где тёмной материи вовсе нет.
«Сначала мы думали, что это аномалия, — рассказывает аспирантка Шани Даниэли. — Но затем нашли вторую такую галактику».
Эти исследования открывают увлекательные возможности. Например, тёмная материя может взаимодействовать с обычной через неизвестный механизм — так называемую «тёмную силу», или пятую силу во Вселенной.
Есть и другой вариант: тёмная материя взаимодействует через известные силы, но настолько слабо, что мы пока не можем уловить эти сигналы.
Иными словами, однозначных выводов наука пока не сделала.
Зачем нам знать о тёмной материи
Почему же физики продолжают так упорно изучать то, чего пока даже не видели напрямую?
«Последние 50 лет физика элементарных частиц стремилась разложить Вселенную на мельчайшие составляющие», — говорит Браун.
Сегодня тёмная материя не вписывается в стандартную модель физики частиц. Поэтому понимание её природы и поведения станет огромным шагом к разгадке устройства Вселенной.
Кроме того, исследования в этой области уже приносят практическую пользу. Методы поиска тёмной материи применяются, например, в медицинской визуализации и ядерной безопасности.
История науки показывает: фундаментальные открытия могут привести к неожиданным технологиям. Всемирная паутина возникла благодаря физикам CERN, которым нужно было обмениваться данными. А GPS работает с учётом общей теории относительности Эйнштейна, которая описывает искривление пространства и времени под действием гравитации.
Без открытия электрона Джозефом Томсоном в 1897 году мы бы не имели ни электричества, ни компьютеров, ни интернета. Возможно, познание тёмной материи однажды даст нам такие же революционные технологии.
Сегодня мы знаем о тёмной материи очень мало. Но завтра она может изменить весь наш мир.
