Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

paul goeltz / flickr.com

Итальянские физики-теоретики показали, что модель цветной темной материи, то есть темной материи, состоящей из связанных состояний частиц с ненулевым цветным зарядом (куорнов), вполне может оказаться жизнеспособной. Вопреки общепринятому мнению, существование таких частиц не приводит к образованию большого числа смешанных состояний обычных и «темных» кварков, а измеренное на данный момент сечение взаимодействия куорнов с частицами обычной материи согласуется с предсказаниями модели. Статья опубликована в Physical Review D и находится в свободном доступе.

Тем не менее, группа ученых под руководством Алессандро Струмиа (Alessandro Strumia) поставила под сомнение этот аргумент и показала, что частицы темной материи вполне могут обладать цветным зарядом. Для этого они добавили в Стандартную модель стабильную массивную частицу Q с ненулевым цветным зарядом, для простоты считая ее электрически нейтральной (так что единственным свободным параметром модели была масса M Q ). Эта частица, получившая название куорн, может лежать как в фундаментальном, так и в присоединенном представлении группы хромодинамики SU (3) c ; в первом случае частица Q является «темным кварком» и образует связанные бесцветные состояния вида QQQ , а во втором случае - «темным глюоном», связанные состояния которых имеют вид QQ («темные глюболы »). Прочитать о представлениях группы SU (3) c и их связи с хромодинамикой можно, например, в книге Валерия Рубакова. Такие адронные состояния, состоящие только из частиц темной материи, ученые назвали «чисто-куорнами» (quorn-onlyum hadrons). Разумеется, наряду с «чистыми» состояниями в предложенной теории возникают и смешанные состояния вроде Q qq, QQ q и Q q̄ (если Q - кварк) или Q g, Q qq̄’ (если Q - глюон).

Затем ученые проверили, при каких условиях предложенная модель воспроизводит наблюдаемую массу темной материи. Для этого они вычислили сечение образования стабильного QQ -адрона при столкновении двух смешанных глюболов Q g + Q g → QQ + gg. Сечение такой реакции обратно пропорционально температуре фазового перехода КХД : σ ~π/Λ QCD 2 , которая равна Λ QCD ≈ 0,31 гигаэлектронвольт, а потому для образования связанного состояния QQ реакция должна иметь сравнительно большой прицельный параметр b ~ 1/Λ QCD (напомним, что в системе ℏ = c = 1 размерность длины совпадает с размерностью обратной массы, а масса измеряется в электронвольтах). В результате образующийся «чисто-куорн» будет иметь большой угловой момент , а значит, будет нестабилен. Тем не менее, выполненные учеными расчеты показали, что при температуре менее T ~ 0,3Λ QCD и массе куорна около 12,5 тераэлектронвольт QQ -состояние не распадаются, как можно было ожидать, но переходит в стабильное состояние с нулевым угловым моментом, параллельно испуская мягкие низкоэнергетические глюоны Стандартной модели. Важно заметить, что при такой массе полное число куорнов, согласующееся с наблюдаемой массой темной материи, составляет всего 10 −14 от числа частиц обычной материи.

Зависимость сечения перехода в устойчивое состояние от температуры при массе куорнов около 12,5 тераэлектронвольт и различных эффективных константах связи

Это значит, что в результате космологических процессов на жизни Вселенной все свободные куорны могли перейти в связанные бесцветные состояния, если скорость реакций слияния на этих этапах превышала скорость расширения Вселенной, заставляющей уменьшаться концентрацию свободных частиц. В самом деле, физики показали, что во времена фазового перехода КХД (температура вещества T ~ Λ QCD ) за характерное время расширения Вселенной успевало произойти порядка ~10 19 реакций слияния куорнов. Поскольку число таких реакций много больше, чем отношение числа обычных кварков к числу куорнов (~10 14), практически все куорны перешли в стабильные «чисто темные» состояния, а концентрация смешанных состояний оказалась исчезающе мала. По сути своей этот процесс аналогичен первичному нуклеосинтезу , в ходе которого образовались атомы легчайших химических элементов. Кроме того, предсказания модели хорошо согласуются с экспериментально наблюдаемой картиной мира.

Отношение массы связанных устойчивых куорнов к наблюдаемой в данный момент массе темной материи в зависимости от времени (или от энергии, которая однозначно связана со временем, прошедшим после Большого Взрыва)

Valerio De Luca et al. / Phys. Rev. D

Наконец, физики оценили сечение взаимодействия стабильных адронов QQ с частицами Стандартной модели, которое можно измерить в прямых экспериментах (устроенных аналогично

Новая теория утверждает, что темная материя не существует November 26th, 2016

А тут оказывается ее вовсе то может и не существует! Вот те раз!

Мы можем находиться на пороге научной революции, которая радикально изменит наши представления о пространстве, времени и гравитации», - говорит физик Эрик Верлинде (Erik Verlinde). Общая теория относительности Эйнштейна не может применяться в микроскопическом масштабе и, видимо, не может дать объяснения таким явлениям как черная дыра и Большой взрыв. Идея о невидимой темной материи и темной энергии не может объяснить те наблюдения, которые противоречат теории Эйнштейна.

Нидерландский физик Эрик Верлинде предлагает совершенно новую теорию, которая может объяснить движение во Вселенной без влияния на него темной материи.

Верлинде отрицает силу притяжения как одну из фундаментальных сил и считает, что она - явление, возникающее как следствие других меньших движений. Он называет это эмергентной гравитацией.

В 2011 году Нобелевская премия по физике была присуждена трем астрофизикам Солу Перлмуттеру (Saul Perlmutter), Адаму Риссу (Adam Riess) и Брайану Шмидту (Brian Schmidt).

Ученые открыли то, что считается одним из первых прорывов в теоретической астрофизике, а именно - что Вселенная ускоряет свое расширение, а не замедляет, как думали раньше.

Сол Перлмуттер начал эту работу, приступив в 1988 году к изучению света от сверхновых звезд. Шесть лет спустя Адам Рисс и Брайан Шмидт приняли эту эстафету, и как говорят, у двух команд возникли споры в связи с открытиями.

Обе команды ожидали, что расширение Вселенной замедлилось из-за гравитации между галактиками, это одно из следствий общей теории относительности Эйнштейна. Обе команды, между тем, пришли к одному и тому же выводу: предположение было ошибочным, Вселенная расширяется все быстрей.

На основе теории Эйнштейна 1915 года существовало предположение, что единственной продолжительной естественной силой, способной влиять на расширение Вселенной, была гравитация. Также считалось, что галактики будут притягивать друг друга и поэтому замедлять скорость расширения Вселенной после Большого взрыва.

Мы пока еще не знаем точно, в чем состоит ошибка. Мы совершенно не знаем, что это за отталкивающая сила, и только называем ее темной энергией. Ученые предположили, что 96% Вселенной состоят из темной материи и темной энергии.

Термин «темная материя» используется также и для того, чтобы объяснить, почему звезды остаются в перекручивающейся галактике, а не вылетают из нее во Вселенную.

Но: не только обычный человек считает, что идея о некоей невидимой силе во Вселенной не совсем правильна.

Известный нидерландский физик Эрик Верлинде опубликовал научную статью, где утверждает, что может объяснить движение без влияния на него темной материи, пишет сайт phys.org.

Ядром объяснения Верлинде является противоречивая идея о энтропийной гравитации. В 2010 году он удивил научное сообщество этой своей теорией, опровергавшей образ мышления людей в последние 300 лет.

Согласно теории Верлинде, сила притяжения не является одной из четырех фундаментальных сил, она является чем-то, что возникает. Верлинде утверждает, что гравитация - это эмергентное явление.

Так же, как образуется тепло, когда двигаются микроскопические частицы, образуется и гравитация - путем изменений в положении небесных тел, собранных в самой структуре пространство-время.

«У нас есть доказательства того, что этот способ рассматривания гравитации фактически совпадает с тем, что мы наблюдаем. В большом масштабе сила притяжения ведет себя абсолютно не так, как предсказывает теория Эйнштейна», - говорит он на сайте Phys.org.

На пороге научной революции

Наука уже давно знала, что в общей теории относительности Эйнштейна и теориях квантовой механики есть что-то непонятное.

Первая объясняет вещи большого масштаба, как предметы во Вселенной влияют друг на друга. Квантовая механика используется, чтобы объяснять вещи на микроскопическом уровне. Но обе теории не могут быть использованы одновременно друг с другом, что действительно является большой мистерией современной физики.

Обе теории не могут быть истинными в одно и то же время. Проблемы начинаются в самый напряженных ситуациях, таких как близость черной дыры и Большой взрыв.

Верлинде считает, что мы приближаемся к решению мистерии, что потребует переписать многое в учебниках.

«Многие физики-теоретики, такие, как я, работают над пересмотром теории, и уже сделаны большие шаги вперед. Может быть, мы стоим на пороге научной революции, которая радикально изменит наши представления о пространстве, времени и гравитации», - говорит Верлинде на сайте Phys.org.

А вообще есть такое мнение, что "Со старой теории содрать больше нечего...кости обглоданы...а дети, а жена? Срочно нужна новая теория, а под нее гранты, награды, почет.... "

источники

print

Группа учёных из Кембриджского института астрономии впервые представила анализ физических характеристик тёмной материи. Они провели наблюдения за 12 карликовыми галактиками, которые окаймляют наш собственный Млечный путь.
Используя самые большие телескопы, группа составила детальные трёхмерные карты этих галактик, изучив движение их звёзд, чтобы «проследить» воздействие тёмной материи и попытаться составить представление о ней.

Оказалось, что в этих галактиках тёмной материи в 400 раз больше, чем материи нормальной. Но главное открытие, объявленное в рамках данного исследования, это температура тёмной материи. Астрономы рассчитали, что она нагрета до 10 тысяч градусов. В галактиках темная материя группируется, по выражению авторов исследования, в «волшебный объём» (magic volume): тёмная материя в 30 миллионов масс Солнца занимает пространство с поперечником в тысячу световых лет.

«Вы не можете упаковать это в меньший объём», - говорят исследователи. Ведь, по результатам расчётов, получается, что частицы тёмной материи движутся со скоростью 9 километров в секунду. Англичане сильно удивили коллег - прежние теоретические оценки давали прямо противоположную картину, то есть, холодную тёмную материю, с частицами, движущимися со скоростью несколько миллиметров в секунду.

Интересно, что кроме анализа свойств тёмной материи, наблюдение за галактиками-спутниками позволило астрономам Кембриджа точнее взвесить Млечный путь. Оказалось, он более массивен, чем считалось до сих пор и превосходит по массе Туманность Андромеды.

Если анализ из Кембриджа подтвердится, он окажет огромное влияние на космологию. Наличие более горячей тёмной материи означает, что ей тяжелее формировать маленькие галактики, но она действительно «помогает» создавать большие структуры.

Неравномерность реликтового фона является одной из загадок и одновременно - одним из ключей к пониманию развития Вселенной. Быть может, новые данные позволят и по иному подойти к разгадке пресловутой «Оси зла» (Axis of Evil) - статистической аномалии в микроволновом фоне, оставшемся после Большого взрыва.
«Ось зла» - она потому в глазах учёных такая «злая», что разрушает привычные представления об эволюции Вселенной. Считается, что «ось» отражает неравномерное распределение галактик, которые после Большого взрыва должны были бы разбегаться «во все стороны» равномерно.

У учёных, кроме наблюдения за галактиками, остаётся ещё шанс выяснить свойства тёмной материи в экспериментах на ускорителях. Или даже поймать эти частицы тёмной материи в детекторах, спрятанных в глубоких шахтах.
В то же время, появляются сообщения, согласно которым тёмной материи и вовсе может не быть.
Джоэл Браунштейн (Joel Brownstein) и Джон Моффат (John Moffat) из канадского института теоретической физики (Perimeter Institute for Theoretical Physics) придумали теорию скаляр-тензор-векторной гравитации (scalar-tensor-vector gravity - STVG), добавив квантовые эффекты к общей теории относительности.

Эта новая теория, якобы, прекрасно согласуется с наблюдаемым поведением групп галактик, без необходимости прибегать к «тёмной материи». И даже так называемой «изменённой ньютоновой динамики» - ещё одной современной вариации картины мира, предполагающей существование сразу двух видов гравитации, сила действия одной из которых убывает с квадратом расстояния, а другой - линейна.

У Браунштейна и Моффата ничего этого нет, зато есть гравитоны, которые рождаются из вакуума, причём наиболее интенсивно там, где концентрируются большие массы (в центрах галактик).

То есть, по данной гипотезе, два килограмма массы на расстоянии в метр будут притягиваться друг к другу сильнее, если они находятся вблизи центра галактики; в сравнении с ситуацией, когда те же самые два килограмма парят друг рядом с другом, но - на её окраине.

А как тогда быть с ужасной «осью зла», якобы являющейся следом скрытой силы, деформировавшей Вселенную? Оказывается, и тут есть альтернативное объяснение.

Крис Вале (Chris Vale) из американской лаборатории Ферми (Fermi National Accelerator Laboratory) и университета Калифорнии (University of California, Berkeley) объясняет аномалию слабым линзированием микроволнового фона.

Статьях цикла мы рассмотрели устройство видимой Вселенной. Поговорили о ее структуре и частицах, которые формируют эту структуру. О нуклонах, играющих главную роль, поскольку именно из них состоит всё видимое вещество. О фотонах, электронах, нейтрино, а также о второстепенных актерах, занятых во вселенском спектакле, что разворачивается 14 миллиардов лет, прошедших с момента Большого взрыва. Казалось бы, рассказывать больше не о чем. Но это не так. Дело в том, что видимое нами вещество — лишь малая часть того, из чего состоит наш мир. Все остальное — нечто, о чем мы почти ничего не знаем. Это загадочное «нечто» получило название темной материи.

Если бы тени предметов зависели не от величины сих последних,
а имели бы свой произвольный рост, то, может быть,
вскоре не осталось бы на всем земном шаре ни одного светлого места.

Козьма Прутков

Что будет с нашим миром?

После открытия в 1929 году Эдвардом Хабблом красного смещения в спектрах удаленных галактик стало ясно, что Вселенная расширяется. Одним из вопросов, возникших в этой связи, был следующий: как долго будет продолжаться расширение и чем оно закончится? Силы гравитационного притяжения, действующие между отдельными частями Вселенной, стремятся затормозить разбегание этих частей. К чему торможение приведет — зависит от суммарной массы Вселенной. Если она достаточно велика, силы тяготения постепенно остановят расширение и оно сменится сжатием. В результате Вселенная в конце концов опять «схлопнется» в точку, из которой когда-то начала расширяться. Если же масса меньше некоторой критической массы, то расширение будет продолжаться вечно. Обычно принято говорить не о массе, а о плотности, которая связана с массой простым соотношением, известным из школьного курса: плотность есть масса, деленная на объем.

Расчетное значение критической средней плотности Вселенной примерно 10 -29 граммов на кубический сантиметр, что соответствует в среднем пяти нуклонам на кубический метр. Следует подчеркнуть, что речь идет именно о средней плотности. Характерная концентрация нуклонов в воде, земле и в нас с вами составляет около 10 30 на кубический метр. Однако в пустоте, разделяющей скопления галактик и занимающей львиную долю объема Вселенной, плотность на десятки порядков ниже. Значение концентрации нуклонов, усредненное по всему объему Вселенной, десятки и сотни раз измеряли, тщательно подсчитывая разными методами количества звезд и газопылевых облаков. Результаты таких измерений несколько различаются, но качественный вывод неизменен: значение плотности Вселенной едва дотягивает до нескольких процентов от критической.

Поэтому вплоть до 70-х годов XX столетия общепринятым был прогноз о вечном расширении нашего мира, которое неизбежно должно привести к так называемой тепловой смерти. Тепловая смерть — это такое состояние системы, когда вещество в ней распределено равномерно и разные ее части имеют одну и ту же температуру. Как следствие, невозможна ни передача энергии от одной части системы к другой, ни перераспределение вещества. В такой системе ничего не происходит и никогда уже не сможет произойти. Наглядной аналогией служит вода, разлитая по какой-либо поверхности. Если поверхность неровная и есть хотя бы небольшие перепады высот, вода перемещается по ней с более высоких мест на более низкие и в конце концов собирается в низинах, образуя лужи. Движение прекращается. Оставалось утешаться только тем, что тепловая смерть наступит через десятки и сотни миллиардов лет. Следовательно, еще очень-очень долго об этой мрачной перспективе можно не задумываться.

Однако постепенно стало ясно, что истинная масса Вселенной намного больше видимой массы, заключенной в звездах и газопылевых облаках и, скорее всего, близка к критической. А возможно, в точности равна ей.

Свидетельства существования темной материи

Первое указание на то, что с подсчетом массы Вселенной что-то не так, появилось в середине 30-х годов XX века. Швейцарский астроном Фриц Цвикки измерил скорости, с которыми галактики скопления Волосы Вероники (а это одно из самых больших известных нам скоплений, оно включает в себя тысячи галактик) движутся вокруг общего центра. Результат получился обескураживающим: скорости галактик оказались гораздо больше, чем можно было ожидать, исходя из наблюдаемой суммарной массы скопления. Это означало, что истинная масса скопления Волосы Вероники гораздо больше видимой. Но основное количество материи, присутствующей в этой области Вселенной, остается по каким-то причинам невидимой и недоступной для прямых наблюдений, проявляя себя только гравитационно, то есть только как масса.

О наличии скрытой массы в скоплениях галактик свидетельствуют также эксперименты по так называемому гравитационному линзированию. Объяснение этого явления следует из теории относительности. В соответствии с ней, любая масса деформирует пространство и подобно линзе искажает прямолинейный ход лучей света. Искажение, которое вызывает скопление галактик, столь велико, что его легко заметить. В частности, по искажению изображения галактики, которая лежит за скоплением, можно рассчитать распределение вещества в скоплении-линзе и измерить тем самым его полную массу. И оказывается, что она всегда во много раз больше, нежели вклад видимого вещества скопления.

Через 40 лет после работ Цвикки, в 70-е годы, американский астроном Вера Рубин изучала скорости вращения вокруг галактического центра вещества, расположенного на периферии галактик. В соответствии с законами Кеплера (а они напрямую следуют из закона всемирного тяготения), при движении от центра галактики к ее периферии скорость вращения галактических объектов должна убывать обратно пропорционально квадратному корню из расстояния до центра. Измерения же показали, что для многих галактик эта скорость остается почти постоянной на весьма значительном удалении от центра. Эти результаты можно истолковать только одним способом: плотность вещества в таких галактиках не убывает при движении от центра, а остается почти неизменной. Поскольку плотность видимого вещества (содержащегося в звездах и межзвездном газе) быстро падает к периферии галактики, недостающую плотность должно обеспечивать нечто, чего мы по каким-то причинам увидеть не можем. Для количественного объяснения наблюдаемых зависимостей скорости вращения от расстояния до центра галактик требуется, чтобы этого невидимого «чего-то» было примерно в 10 раз больше, чем обычного видимого вещества. Это «нечто» получило название «темная материя» (по-английски «dark matter ») и до сих пор остается самой интригующей загадкой в астрофизике.

Еще одно важное свидетельство присутствия темной материи в нашем мире приходит из расчетов, моделирующих процесс формирования галактик, который начался примерно через 300 тысяч лет после начала Большого взрыва. Эти расчеты показывают, что силы гравитационного притяжения, которые действовали между разлетающимися осколками возникшей при взрыве материи, не могли скомпенсировать кинетической энергии разлета. Вещество просто не должно было собраться в галактики, которые мы тем не менее наблюдаем в современную эпоху. Эта проблема получила название галактического парадокса, и долгое время ее считали серьезным аргументом против теории Большого взрыва. Однако если предположить, что частицы обычного вещества в ранней Вселенной были перемешаны с частицами невидимой темной материи, то в расчетах всё становится на свои места и концы начинают сходиться с концами — формирование галактик из звезд, а затем скоплений из галактик становится возможным. При этом, как показывают вычисления, сначала в галактики скучивалось огромное количество частиц темной материи и только потом, за счет сил тяготения, на них собирались элементы обычного вещества, общая масса которого составляла лишь несколько процентов от полной массы Вселенной. Получается, что знакомый и, казалось бы, изученный до деталей видимый мир, который мы совсем недавно считали почти понятым, — только небольшая добавка к чему-то, из чего в действительности состоит Вселенная. Планеты, звезды, галактики да и мы с вами — всего лишь ширма для громадного «нечто», о котором мы не имеем ни малейшего представления.

Фотофакт

Скопление галактик (в левой нижней части участка, обведенного кружком) создает гравитационную линзу. Она искажает форму расположенных за линзой объектов — вытягивая их изображения в одном направлении. По величине и направлению вытягивания международная группа астрономов из Южной Европейской обсерватории, возглавляемая учеными из парижского Института астрофизики, построила распределение масс, которое и показано на нижнем изображении. Как видно, в скоплении сосредоточено гораздо больше массы, нежели удается разглядеть в телескоп.

Охота на темные массивные объекты — дело небыстрое, и на фотографии результат выглядит не самым эффектным образом. В 1995 году телескоп «Хаббл» заметил, что одна из звездочек Большого Магелланова облака вспыхнула ярче. Это свечение продолжалось три с лишним месяца, но потом звезда вернулась к своему естественному состоянию. А шесть лет спустя рядом со звездой появился какой-то едва светящийся объект. Это и был холодный карлик, который, проходя на расстоянии 600 световых лет от звезды, создал гравитационную линзу, усиливающую свет. Расчеты показали, что масса этого карлика составляет всего 5-10% от массы Солнца.

Наконец, общая теория относительности однозначно связывает темп расширения Вселенной со средней плотностью вещества, заключенного в ней. В предположении о том, что средняя кривизна пространства равна нулю, то есть в нем действует геометрия Эвклида, а не Лобачевского (что надежно проверено, например, в экспериментах с реликтовым излучением), эта плотность должна быть равна 10 -29 граммам на кубический сантиметр. Плотность же видимого вещества примерно в 20 раз меньше. Недостающие 95% от массы Вселенной и есть темная материя. Обратите внимание, что измеренное из скорости расширения Вселенной значение плотности равно критическому. Два значения, независимо вычисленные совершенно разными способами, совпали! Если в действительности плотность Вселенной в точности равна критической, это не может быть случайным совпадением, а представляет собой следствие какого-то фундаментального свойства нашего мира, которое еще предстоит понять и осмыслить.

Что это?

Что же мы знаем сегодня о темной материи, составляющей 95% массы Вселенной? Почти ничего. Но что-то всё же знаем. Прежде всего, нет никаких сомнений в том, что темная материя существует — об этом неопровержимо свидетельствуют факты, приведенные выше. А еще нам доподлинно известно, что темная материя существует в нескольких формах. После того как к началу XXI века в результате многолетних наблюдений в экспериментах SuperKamiokande (Япония) и SNO (Канада) было установлено, что у нейтрино масса есть, стало ясно, что от 0,3% до 3% из 95% скрытой массы заключается в давно знакомых нам нейтрино — пусть масса их чрезвычайно мала, но количество во Вселенной примерно в миллиард раз превышает количество нуклонов: в каждом кубическом сантиметре содержится в среднем 300 нейтрино. Оставшиеся 92-95% состоят из двух частей — темной материи и темной энергии. Незначительную долю темной материи составляет обычное барионное вещество, построенное из нуклонов, за остаток отвечают, по-видимому, какие-то неизвестные массивные слабовзаимодействующие частицы (так называемая холодная темная материя). Баланс энергий в современной Вселенной представлен в таблице, а рассказ о ее трех последних графах — ниже.

Барионная темная материя

Небольшая (4-5%) часть темной материи — это обычное вещество, которое не испускает или почти не испускает собственного излучения и поэтому невидимо. Существование нескольких классов таких объектов можно считать экспериментально подтвержденным. Сложнейшие эксперименты, основанные всё на том же гравитационном линзировании, привели к открытию так называемых массивных компактных галообъектов, то есть расположенных на периферии галактических дисков. Для этого потребовалось следить за миллионами удаленных галактик в течение нескольких лет. Когда темное массивное тело проходит между наблюдателем и далекой галактикой, ее яркость на короткое время уменьшается (или увеличивается, поскольку темное тело выступает в роли гравитационной линзы). В результате кропотливых поисков такие события были выявлены. Природа массивных компактных галообъектов ясна не до конца. Скорее всего, это либо остывшие звезды (коричневые карлики), либо планетоподобные объекты, не связанные со звездами и путешествующие по галактике сами по себе. Еще один представитель барионной темной материи — недавно обнаруженный в галактических скоплениях методами рентгеновской астрономии горячий газ, который не светится в видимом диапазоне.

Небарионная темная материя

В качестве главных кандидатов на небарионную темную материю выступают так называемые WIMP (сокращение от английского Weakly Interactive Massive Particles — слабовзаимодействующие массивные частицы). Особенность WIMP состоит в том, что они почти никак не проявляют себя во взаимодействии с обычным веществом. Именно поэтому они и есть самая настоящая невидимая темная материя, и именно поэтому их чрезвычайно сложно обнаружить. Масса WIMP должна быть как минимум в десятки раз больше массы протона. Поиски WIMP ведутся во многих экспериментах в течение последних 20-30 лет, но, несмотря на все усилия, они до сих пор обнаружены не были.

Одна из идей состоит в том, что если такие частицы существуют, то Земля в своем движении вместе с Солнцем по орбите вокруг центра Галактики должна лететь сквозь дождь, состоящий из WIMP. Несмотря на то что WIMP представляет собой чрезвычайно слабо взаимодействующую частицу, какая-то очень малая вероятность провзаимодействовать с обычным атомом у нее всё же есть. При этом в специальных установках — очень сложных и дорогостоящих — может быть зарегистрирован сигнал. Количество таких сигналов должно меняться в течение года, поскольку, двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля меняет свою скорость и направление движения относительно ветра, состоящего из WIMP. Экспериментальная группа DAMA, работающая в итальянской подземной лаборатории Гран-Сассо, сообщает о наблюдаемых годичных вариациях скорости счета сигналов. Однако другие группы пока не подтверждают этих результатов, и вопрос, по существу, остается открытым.

Другой метод поиска WIMP основан на предположении о том, что в течение миллиардов лет своего существования различные астрономические объекты (Земля, Солнце, центр нашей Галактики) должны захватывать WIMP, которые накапливаются в центре этих объектов, и, аннигилируя друг с другом, рождать поток нейтрино. Попытки детектирования избыточного нейтринного потока из центра Земли в направлении к Солнцу и к центру Галактики были предприняты на подземных и подводных нейтринных детекторах MACRO, LVD (лаборатория Гран-Сассо), NT-200 (озеро Байкал, Россия), SuperKamiokande, AMANDA (станция Скотт-Амундсен, Южный полюс), но пока не привели к положительному результату.

Эксперименты по поиску WIMP активно проводят также на ускорителях элементарных частиц. В соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна Е=mс 2 , энергия эквивалентна массе. Следовательно, ускорив частицу (например, протон) до очень высокой энергии и столкнув ее с другой частицей, можно ожидать рождения пар других частиц и античастиц (в том числе WIMP), суммарная масса которых равна суммарной энергии сталкивающихся частиц. Но и ускорительные эксперименты пока не привели к положительному результату.

Темная энергия

В начале прошлого века Альберт Эйнштейн, желая обеспечить космологической модели в общей теории относительности независимость от времени, ввел в уравнения теории так называемую космологическую постоянную, которую обозначил греческой буквой «лямбда» — Λ. Эта Λ была чисто формальной константой, в которой сам Эйнштейн не видел никакого физического смысла. После того как было открыто расширение Вселенной, надобность в ней отпала. Эйнштейн очень жалел о своей поспешности и называл космологическую постоянную Λ своей самой большой научной ошибкой. Однако спустя десятилетия выяснилось, что постоянная Хаббла, которая определяет темп расширения Вселенной, меняется со временем, причем ее зависимость от времени можно объяснить, подбирая величину той самой «ошибочной» эйнштейновской постоянной Λ, которая вносит вклад в скрытую плотность Вселенной. Эту часть скрытой массы и стали называть «темная энергия».

О темной энергии можно сказать еще меньше, чем о темной материи. Во-первых, она равномерно распределена по Вселенной, в отличие от обычного вещества и других форм темной материи. В галактиках и скоплениях галактик ее столько же, сколько вне их. Во-вторых, она обладает несколькими весьма странными свойствами, понять которые можно, лишь анализируя уравнения теории относительности и интерпретируя их решения. Например, темная энергия испытывает антигравитацию: за счет ее присутствия темп расширения Вселенной растет. Темная энергия как бы расталкивает саму себя, ускоряя при этом и разбегание обычной материи, собранной в галактиках. А еще темная энергия обладает отрицательным давлением, благодаря которому в веществе возникает сила, препятствующая его растяжению.

Главный кандидат на роль темной энергии — вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, что и соответствует отрицательному давлению. Еще один кандидат — гипотетическое сверхслабое поле, получившее название квинтэссенция. Надежды на прояснение природы темной энергии связывают прежде всего с новыми астрономическими наблюдениями. Продвижение в этом направлении, несомненно, принесет человечеству радикально новые знания, поскольку в любом случае темная энергия должна представлять собой совершенно необычную субстанцию, абсолютно непохожую на то, с чем имела дело физика до сих пор.

Итак, наш мир на 95% состоит из чего-то, о чем мы почти ничего не знаем. Можно по-разному относиться к такому не подлежащему никакому сомнению факту. Он может вызывать тревогу, которая всегда сопутствует встрече с чем-то неизвестным. Или огорчение, оттого что такой долгий и сложный путь построения физической теории, описывающей свойства нашего мира, привел к констатации: большая часть Вселенной скрыта от нас и неизвестна нам.

Но большинство физиков сейчас испытывают воодушевление. Опыт показывает, что все загадки, которые ставила перед человечеством природа, рано или поздно разрешались. Несомненно, разрешится и загадка темной материи. И это наверняка принесет совершенно новые знания и понятия, о которых мы пока не имеем никакого представления. И возможно, мы встретимся с новыми загадками, которые, в свою очередь, также будут разгаданы. Но это будет совсем другая история, которую читатели «Химии и жизни» смогут прочесть не раньше, чем через несколько лет. А может быть, и через несколько десятилетий.

На сегодняшний день загадка о том, откуда появилось темное вещество так и не разгадана. Есть теории, которые предполагают, что оно состоит из межзвездного газа низкой температуры. При этом вещество не может давать какое-либо излучение. Однако существуют теории, направленные против этой идеи. Они говорят о том, что газ способен разогреваться, что приводит к тому, что они становятся обычными «барионными» веществами. В пользу этой теории свидетельствует то, что масса газа в холодном состоянии не может устранить дефицит, который возникает при этом.

В теориях о темном веществе столько вопросов, что стоит разобраться в этом чуть подробнее.

Чем является темное вещество?

Вопрос о том, что же такое темное вещество, появился примерно 80 лет назад. Еще в начале 20 века. В то время астроному из Швейцарии Ф. Цвикки пришла в голову идея о том, что масса всех галактик в реальности больше, чем масса всех тех объектов, которые можно увидеть собственными газами в телескоп. Все многочисленные подсказки намекали на то, что в космосе существует нечто неведомое, что обладает внушительной массой. Этой необъяснимой субстанции было решено дать название «темное вещество».

Это невидимое вещество занимает не менее четверти от всей Вселенной. Особенность этого вещества в том, что его частицы плохо вступают во взаимодействие между собой и с обычным другим веществом. Это взаимодействие настолько слабое, что ученые не могут даже зафиксировать это. По факту есть только признаки влияния от частиц.

Изучение этого вопроса ведется самыми большими умами по всему миру, поэтому даже самые большие скептики в мире считают, что получится уловить частицы вещества. Самая желаемая цель – сделать это в условиях лаборатории. В шахтах на большой глубине ведутся работы, такие условия для экспериментов необходимы, чтобы исключить помехи, которые оказывают частицы лучей из космоса.

Есть вероятность, что много новой информации удастся получить благодаря современным ускорителям, в частности, с помощью Большого адронного коллайдера.

Частицы темного вещества имеют одну странную особенность - взаимоуничтожение. В результате таких процессов появляется гамма-излучение, античастицы и частицы (такие как электрон и позитрон). Поэтому астрофизики делают попытки найти следы гамма-излучения или античастиц. Для этого используются различные наземные и космические установки.

Доказательства существования темного вещества

Самыми первыми сомнениями в правильности расчетов массы Вселенной, как уже говорилось, поделился астроном из Швейцарии Ф. Цвикки. Для начала он решил измерить скорость галактик из скопления Волос Вероники двигавшихся вокруг центра. И результат его работ несколько озадачил его, потому что скорость движения этих галактик оказалась выше, чем он предполагал. Кроме того, он предварительно рассчитал это значение. Но результаты не совпали.

Вывод был очевиден: реальная масса скопления была гораздо больше, чем видимая. Это могло объясниться тем, что большая часть вещества, которое есть в этой части Вселенной, не может быть видима, а также за ней невозможно понаблюдать. Это вещество проявляет свои свойство только в виде массы.

Ряд гравитационных экспериментов подтвердил присутствие невидимой массы в галактических скоплениях. В теории относительности есть некоторое толкование этого явления. Если ей следовать, то каждая масса способна к деформированию пространства, кроме того, словно линза она искривляет прямой поток световых лучей. Галактическое скопление вызывает искажение, его влияние настолько сильно, что становится заметным. Сильнее всего искажается вид галактики, которая располагается непосредственно за скоплением. По этому искажению и рассчитывается то, как распределилось вещество в этом скоплении. Так и измеряют реальную массу. Она неизменно оказывается больше в несколько раз, чем масса видимой материи.

Спустя четыре десятилетия после работ первопроходца в этой сфере Ф. Цвикки этим вопросом занялась астроном из Америки В. Рубин. Она изучала скорость, с которой вращается вокруг центра галактики вещество, которое располагается по краям галактик. Если следовать законам Кеплера, касающимся законов тяготения, то существует определенная зависимость между скоростью вращения галактик и расстоянием до центра.

Но в реальности измерения показывали, что скорость вращения не менялась с увеличением расстояния до центра. Такие данные можно было объяснить только одним путем – вещество галактики имеет одинаковую плотность как в центре, так и по краям. Но видимое вещество имело гораздо большую плотность в центре и характеризовалось разреженностью по краям, а недостаток плотности мог быть объяснен только наличием какого-то вещества, которое не видно глазу.

Чтобы дать объяснение явлению, нужно, чтобы этого самого невидимого вещества в галактиках было почти в 10 раз больше, нежели того вещества, которое мы можем увидеть. Вот это неведомое вещество и получило название «темное вещество», или «темная материя». На сегодняшний день для астрофизиков это явление так и остается самой интересной загадкой.

Есть еще один довод в пользу доказательств существования темного вещества. Он следует из расчетов, которые описывают процесс того, как формировались галактики. Считается, что началось это примерно через 300.000 лет после того, как произошел Большой взрыв . Результаты расчетов говорят, что притяжение между осколками материи, которая появилась при взрыве, не могло бы компенсировать кинетическую энергию от разлета. То есть вещество не могло сконцентрироваться в галактиках, однако мы можем видеть это сегодня.

Этот необъяснимый факт называют парадоксом галактики, его приводили как довод, разрушающий теорию Большого взрыва. Но можно посмотреть на это с другой стороны. Ведь частицы самого обычного вещества могли быть смешаны с частицами темного вещества. Тогда расчеты становятся верными, а то, как сформировались галактики, в которых скопилось много темного вещества, а к ним уже присоединились частицы обычного вещества за счет гравитации. Ведь обычное вещество составляет малую долю от всей массы Вселенной.

Видимое вещество имеет плотность относительно низкую по сравнению с темным веществом, потому что оно плотнее в 20 раз. Поэтому те 95% массы Вселенной, которых не достает по расчетам ученых – это и есть темное вещество.

Однако это приводило к выводу, что весь видимый мир, который был изучен вдоль и поперек, такой привычный и понятный, лишь небольшое приложение к тому, из чего реально складывается .

Все галактики, планеты и звезды – это просто маленький кусочек того, о чем мы не имеем понятия. Это то, что выставлено напоказ, а реальное от нас скрыто.