Что такое темная материя и из чего она состоит?

Вселенная таит много загадок, и одна из самых притягательных — темная материя, которую никто не видел, но ученые уверены, что она существует. Эта неосязаемая субстанция заполняет 85% пространства. Редакция 24СМИ собрала информацию о последних исследованиях главной тайны в мире астрофизики.

Что собой представляет темная материя

Темной материей в астрономии называют совокупность неизлучающих астрономических объектов. Эта форма космического вещества не поддается наблюдению, потому что не взаимодействует с электромагнитными реакциями. Современные приборы пока не зафиксировали ни нейтринного, ни электромагнитного излучения. Согласно последним исследованиям астрономов, эта совокупность составляет четверть массы-энергии Вселенной и проявляется в гравитационном взаимодействии — это в пять раз больше видимого вещества.

Темная материя, как и любое вещество, участвует в гравитационных взаимодействиях и собирается в огромные сгустки в космическом пространстве размером с галактику или систему галактик. Астрофизики полагают, что в состав этой массы входят частицы, которые пока не найдены в земных условиях.

Проблема скрытой массы

Совокупность недоступных к изучению объектов в космосе также называют скрытой массой. Существование этой невидимой субстанции пока научно не доказано, но исследователи сделали этот термин постулатом. Астрофизики используют для поиска разные методы, которые дают разные результаты — прогнозируемое в рамках небесной механики поведение видимых объектов различается с фактическим.

Известно, что скопления звезд вращаются во Вселенной вокруг одного центра. При подсчете масс исследователи узнали, что эти объекты слишком легкие, чтобы двигаться с такой огромной скоростью в пространстве — эта «карусель» разрушилась бы. Тогда астрономы ввели понятие скрытой массы, чтобы с точки зрения теории объяснять расхождения в противоречащих друг другу исследованиях. Суть гипотезы заключается в том, что космические объекты «окутывает» воздействующая с гравитацией невидимая субстанция, состоящая из неизвестных частиц.

Задача по доказательству существования темной материи называется проблемой скрытой массы, которая содержит два подпункта. Первый, астрофизический, то есть расхождения в исследованиях наблюдаемой массы систем гравитационно связанных объектов (скопления галактик), с наблюдаемыми параметрами, которые определяют гравитационные эффекты. Вторую проблему существования скрытой массы называют космологической — это противоречия наблюдаемых космологических показателей, выявленных по астрофизическим параметрам средней плотности Вселенной.

История исследований

Первые теории о существовании незримой субстанции в космосе сделал в 1906 году француз Анри Пуанкаре, когда развивал гипотезу лорда Кельвина об оценке массы звезд с учетом развития скоростей объектов. Его последователь из Эстонии Эрнст Эпик пришел к выводу, что скрытой массы не существует, или это количество не столь велико, как у видимого вещества. После него голландский исследователь Якобус Каптейн выдвинул гипотезу о наличии темной материи, взаимодействующей со скоплением звезд. Ученый первым использовал этот термин.

В 1930-х годах Фриц Цвикки исследовал созвездие Волосы Вероники и выявил там большую группу галактик. Во время наблюдений швейцарский астроном заметил, что видимое скопление меньше того, которое есть на самом деле. Похожее открытие сделал американец Синклер Смит во время изучения созвездия Девы. Он вычислил среднюю массу одной входящей в группу галактики и узнал, что та равна 2⋅1011 масс Солнца. Этот парадокс он объяснил наличием в скоплении космического вещества.

Ученые считали, что расхождение в скоростях наблюдаемых систем скоплений межзвездного газа и пыли свидетельствует о наличии невидимого вещества. На момент открытия Цвикки и Смита сообщество астрономов отнеслось скептически к этим выводам, потому что гипотеза о существовании невидимой субстанции в космосе не рассматривалась всерьез.

Верность теории о наличии невидимой материи, выдвинутой швейцарским исследователем, подтвердила через 40 лет Вера Рубин. Исследовательница получила спектрографические показатели скорости вращения звезд галактики M 31. Астроном заметила, что там находится материя, которую нельзя выявить оптическими или радиочастотами.

В это же время Яан Эйнасто предположил о наличии гало темной материи. Это гипотетический компонент, который простирается за пределы видимой части звездного скопления. Масса гало — основная составляющая массы галактики. Это явление нельзя наблюдать напрямую. Астрофизики находят гало по влиянию, оказываемому на движение газа и звезд в галактиках.

Из чего состоит темная материя

Состав космического вещества ученые не изучили. Астрономы полагают, что главный компонент, из которого состоит темная материя, — вимпы. Масса этих частиц в десятки раз превышает таковую у протонов. Субстанция проявляет единственное свойство — подчиняется закону всемирного тяготения.

Астрономы ищут «претендентов» на роль вимпов. Теоретически в состав вещества входят аксионы — гипотетически нейтральные частицы, легкие и тяжелые нейтрино — наделены малой массой, но их число влияет на динамику пространства. Ученые полагают, что нейтрино во Вселенной столько, сколько и фотонов. Существование этих частиц в природе исследователи доказали.

В 2020 году ученые Йоркского университета предложили нового «кандидата» на роль вимпов — гексакварков. Эти частицы соединяются друг с другом разными способами и действуют как большой атом. Британские исследователи полагают, что гексакварки создали материю сразу после Большого взрыва.

Поиски

Ученые ищут невидимую субстанцию в космосе и на Земле. После ряда экспериментов исследователи предположили, что найти сигнатуру вещества можно рентгеновским излучением галактик. Также для поиска используют рентгеновские лучи, которые появляются рядом с нейтронными звездами, или вспышки света в этих областях.

В 2020 году ученые Чикагского университета предложили устройства, способные улавливать сигналы аксионов и скрытых фотонов. Исследователи уверены, что эти технологии продвинут изучение космического вещества.

Темная энергия

Соотношение масс обычной материи и темной неоднородно. В энергии-массе Вселенной 5% занимает барионное вещество — обычная материя, из которой состоят звезды и планеты, в том числе Земля, и на 25% из темной материи. Остальные 70% занимает темная энергия, которая противостоит силе гравитации. Это вещество настолько превышает всемирное тяготение, что вызывает ускоренное расширение Вселенной с момента Большого взрыва.

Показатель красного смещения нужен ученым, чтобы рассчитать скорость и удаление галактик. Изначально исследователи приняли модель Вселенной, согласно которой замедлялось расширение. Однако открытие темной энергии изменило это представление. В 1998 году астрофизики обнаружили, что звездные скопления со временем не замедляют, а только ускоряют движение — этому способствовала некая сила, «раздувающая» пространство. Теоретически с помощью предположения о наличии темной энергии во Вселенной можно решить проблему скрытой массы.

Темные звезды

Астрофизики выдвинули гипотезу, что на заре формирования Вселенной существовали темные звезды, состоящие из темной материи. Объекты представляются как облака водорода и гелия диаметром от 4 до 2000 астрономических единиц. Излучение этих звезд невозможно зафиксировать из-за низкой температуры поверхности. Исследователи полагают, что объекты этого вида сохранились до наших дней и обнаружить их можно с помощью гамма-излучения. Ученые не исключают, что темные звезды ошибочно принимают за обычные облака холодного молекулярного водорода.

Сотрудник Ливерморской национальной лаборатории Джордж Чеплин предположил, что существуют звезды темной энергии. Эти объекты исследователь считает теоретической альтернативой черных дыр. Согласно гипотезе Чеплина, падающее вещество проходит через горизонт событий и преобразуется в энергию вакуума. Сингулярность исчезает из горизонта событий, потому что оставшееся там пространство борется с силой гравитации. Исследовать высказал предположение по поводу темных дыр и заявил, что тех не существует.

Карта темной материи

В 2021 году ученые создали самую подробную на сегодня карту распределения темной материи в космосе. Результат произвел сенсацию в мире физики и астрономии. На основе исследований ученые сделали заключение, что субстанция распределена равномернее, чем предполагалось по теории относительности Альберта Эйнштейна. А это значит, что великий физик ошибался.

Используя искусственный интеллект, исследователи проанализировали свет, который испускали сотни миллионов скоплений межзвездного газа и пыли, и изучили форму на предмет растяжения. Белые области — это темная материя, где существует знакомая человечеству действительность. Темные пятна — области пустоты, или войды. Ученые думают, что там действуют иные законы физики. Эта работа доказала, что рассматриваемая материя распределена равномернее, чем предполагал Эйнштейн, а галактики относятся к невидимым глазу крупным структурам. Астрономы заявляют, что это открытие изменит понимание космоса.