В 1930-х годах швейцарский астроном по имени Фриц Цвикки заметил, что галактики в далеком скоплении вращаются вокруг друг друга намного быстрее, чем следовало из их массы. Он предположил, что невидимая субстанция, которую он назвал темной материей, могла гравитационно притягивать эти галактики.
С тех пор исследователи подтвердили, что этот загадочный материал можно найти повсюду в космосе, и что его в шесть раз больше, чем обычного вещества, из которого состоят обычные предметы, такие как звезды и люди. Тем не менее, несмотря на то, что темная материя видна повсюду во Вселенной, ученые все еще ломают голову над ней. Вот 11 самых больших вопросов о темной материи, на которые нет ответов.
Что такое темная материя?
Во-первых, что, возможно, вызывает наибольшее недоумение, исследователи остаются неуверенными в том, что же такое темная материя. Первоначально некоторые ученые предположили, что недостающая масса во Вселенной состоит из маленьких слабых звезд и черных дыр, хотя подробные наблюдения не выявили достаточно таких объектов, чтобы объяснить влияние темной материи, как сказал физик Дон Линкольн Live Science . В настоящее время ведущим претендентом на мантию темной материи является гипотетическая частица, называемая слабовзаимодействующей массивной частицей или WIMP, которая будет вести себя как нейтрон, но будет в 10-100 раз тяжелее протона. Тем не менее, это предположение привело только к большему количеству вопросов.
Можем ли мы обнаружить темную материю?
Если темная материя состоит из вимпов, они должны быть повсюду вокруг нас, невидимые и едва обнаруживаемые. Так почему мы еще ничего не нашли? Хотя они не очень сильно взаимодействуют с обычной материей, всегда есть небольшая вероятность того, что частица темной материи может ударить нормальную частицу, такую как протон или электрон, когда она путешествует в космосе. Итак, исследователи строили эксперимент за экспериментом, чтобы изучить огромное количество обычных частиц глубоко под землей, где они защищены от мешающего излучения, которое могло бы имитировать столкновение частиц темной материи. После десятилетий поисков ни один из этих детекторов не сделал достоверных открытий. В этом году китайский эксперимент PandaX сообщил о последнем обнаружении WIMP. Кажется вероятным, что частицы темной материи намного меньше вимпов, сказал он Live Science
Состоит ли темная материя более чем из одной частицы?
Обычная материя состоит из обычных частиц, таких как протоны и электроны, а также из целого набора более экзотических частиц, таких как нейтрино, мюоны и пионы. Итак, некоторые исследователи задались вопросом, может ли темная материя, составляющая 85 процентов материи Вселенной, быть такой же сложной. «Нет веских причин предполагать, что вся темная материя во Вселенной построена из частиц одного типа», - сказал физик Андрей Кац из Гарвардского университета Space.com. По словам Каца, темные протоны могут объединяться с темными электронами, образуя темные атомы, создавая конфигурации, столь же разнообразные и интересные, как и в видимом мире. Хотя в физических лабораториях все чаще выдвигались подобные предложения, ученым пока не удавалось найти способ подтвердить или опровергнуть их.
Существуют ли темные силы?
Наряду с дополнительными частицами темной материи существует вероятность того, что темная материя испытывает силы, аналогичные тем, которые испытывает обычная материя. Некоторые исследователи искали «темные фотоны», которые были бы подобны фотонам, которыми обмениваются нормальные частицы, которые вызывают электромагнитную силу, за исключением того, что они будут ощущаться только частицами темной материи. Физики в Италии готовятся разбить пучок электронов и их античастиц, известных как позитроны, в алмаз. Если темные фотоны действительно существуют, электрон-позитронные пары могут аннигилировать и произвести одну из странных частиц, несущих силу, потенциально открывая совершенно новый сектор Вселенной.
Может ли темная материя состоять из аксионов?
По мере того, как физики все больше разлюбляют вимпов, другие частицы темной материи начинают приобретать популярность. Одна из ведущих замен - гипотетическая частица, известная как аксион, которая была бы чрезвычайно легкой, возможно, всего лишь в 10 раз в 31-й степени менее массивной, чем протон. Аксионы сейчас ищутся в нескольких экспериментах. Недавнее компьютерное моделирование повысило вероятность того, что эти аксионы могут образовывать звездоподобные объекты, которые могут производить обнаруживаемое излучение, очень похожее на загадочные явления, известные как быстрые радиовсплески.
Каковы свойства темной материи?
Астрономы обнаружили темную материю благодаря ее гравитационному взаимодействию с обычной материей, предполагая, что это ее основной способ заявить о своем присутствии во Вселенной. Но пытаясь понять истинную природу темной материи, исследователи почти ничего не могут сделать. Согласно некоторым теориям, частицы темной материи должны быть собственными античастицами, а это означает, что две частицы темной материи аннигилируют друг с другом при встрече. Эксперимент с альфа-магнитным спектрометром (AMS) на Международной космической станции ведет поиск явных признаков этой аннигиляции с 2011 года и уже обнаружил сотни тысяч событий. Ученые до сих пор не уверены, исходит ли это темная материя, и сигнал еще не помог им точно определить, что такое темная материя.
Существует ли темная материя в каждой галактике?
Поскольку темная материя значительно превосходит обычную материю, часто говорят, что темная материя является управляющей силой, которая организует большие структуры, такие как галактики и скопления галактик. Поэтому было странно, когда в начале этого года астрономы объявили, что они обнаружили галактику под названием NGC 1052-DF2, которая, казалось, вообще не содержит темной материи. «Темная материя, по-видимому, не является требованием для формирования галактики», - указалПитер ван Доккум из Йельского университета Однако команда других ученых опубликовала анализ, предполагающий, что команда ван Доккума неверно измерила расстояние до галактики, а это означает, что ее видимая материя была намного тусклее и легче, чем первые результаты, и что большая часть ее массы была в темной материи, чем была ранее предлагалось.
Что случилось с результатами DAMA / LIBRA?
Давняя загадка в физике элементарных частиц - это загадочные результаты европейского эксперимента, известного как DAMA / LIBRA. Этот детектор, расположенный в подземной шахте под горой Гран-Сассо в Италии, искал периодические колебания в частицах темной материи. Это колебание должно возникать, когда Земля движется по своей орбите вокруг Солнца во время полета через галактический поток темной материи, окружающий нашу солнечную систему, иногда называемый ветром темной материи. С 1997 года DAMA / LIBRA утверждали, что видели именно этот сигнал , хотя ни один другой эксперимент не видел ничего подобного.
Может ли темная материя иметь электрический заряд?
Сигнал с незапамятных времен заставил некоторых физиков предположить, что темная материя может иметь электрический заряд. Излучение с длиной волны 21 сантиметр было испущено звездами в младенчестве Вселенной, всего через 180 миллионов лет после Большого взрыва. Затем он был поглощен холодным водородом, который находился примерно в то же время. Когда это излучение было обнаружено в феврале этого года, его сигнатура свидетельствовала о том, что водород был намного холоднее, чем предполагали ученые. Астрофизик Джулиан Муньос из Гарвардского университета предположил, что темная материя с электрическим зарядом могла отводить тепло от всепроникающего водорода, как кубики льда, плавающие в лимонаде. Но это предположение еще не подтверждено.
Могут ли обычные частицы распадаться на темную материю?
Нейтроны - это обычные частицы вещества с ограниченным временем жизни. Примерно через 14,5 минут одиночный нейтрон, отделенный от атома, распадется на протон, электрон и нейтрино. Но две разные экспериментальные установки дают немного разные времена жизни для этого распада, с расхождением между ними около 9 секунд, согласно экспериментам. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.. Ранее в этом году физики предположили, что если в 1% случаев некоторые нейтроны распадаются на частицы темной материи, это может объяснить эту аномалию. Кристофер Моррис из Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико и его команда наблюдали за нейтронами в поисках сигнала, который мог быть темной материей, но не смогли ничего обнаружить. Они предположили, что, согласно исследованию, все еще возможны другие сценарии распада.
Существует ли на самом деле темная материя?
Учитывая трудности, с которыми столкнулись ученые, пытаясь обнаружить и объяснить темную материю, разумный спрашивающий может задаться вопросом, не ошибаются ли они. В течение многих лет громкое меньшинство физиков выдвигало идею о том, что, возможно, наши теории гравитации просто неверны и что фундаментальная сила действует в больших масштабах иначе, чем мы ожидаем. Эти предположения, часто известные как «модифицированная ньютоновская динамика» или модели MOND, утверждают, что не существует темной материи, а сверхвысокие скорости, с которыми звезды и галактики вращаются друг вокруг друга, являются следствием удивительного поведения гравитации. «Темная материя - все еще неподтвержденная модель», - написал физик Дон Линкольн.
11 вопросов о темной материи составил Адам Манн - журналист, специализирующийся на рассказах об астрономии и физике.
