Что за зверь, эта темная материя?
Представьте себе: вы смотрите на звездное небо, видите миллиарды галактик, сияющие звезды, планеты, туманности. Кажется, что мы видим всю вселенную, верно? Ан нет. На самом деле, все, что мы можем видеть и потрогать – звезды, планеты, газ, пыль, да и мы сами – составляет лишь мизерные 5% от общей массы-энергии Вселенной. Остальные 95% – это две загадочные субстанции: темная энергия (около 68%) и темная материя (около 27%). И если темная энергия отвечает за ускоренное расширение Вселенной, то темная материя – это такой невидимый гравитационный клей, который не дает галактикам разлететься в разные стороны.
Итак, что же это за зверь, эта ваша темная материя? Если говорить простым языком, это гипотетическая форма материи, которая не испускает, не поглощает и не отражает свет или другие формы электромагнитного излучения. То есть она абсолютно невидима для наших телескопов и других приборов. Мы знаем о ее существовании только по ее гравитационному воздействию на видимую материю.
Ученые, конечно, не пальцем деланные и не выдумали ее просто так, от нечего делать. Первые звоночки появились еще в 1930-х годах, когда астроном Фриц Цвикки, изучая скопление галактик Кома, заметил: галактики в нем движутся так быстро, что по всем законам физики они давно должны были разлететься. Единственное объяснение: в скоплении гораздо больше массы, чем мы видим. Позже, в 1970-х годах, работы американского астронома Веры Рубин окончательно поставили все точки над «i». Она изучала кривые вращения галактик и обнаружила: звезды на их окраинах движутся с такой же скоростью, как и звезды ближе к центру. Это как если бы вы ехали на карусели, и люди на краю крутились бы с той же скоростью, что и те, кто сидит у самой оси. Голова идет кругом, правда? Это возможно только в том случае, если вокруг галактик есть огромное, невидимое гало из дополнительной массы – темной материи.
Еще одно мощное доказательство – гравитационное линзирование. Согласно теории Эйнштейна, массивные объекты искажают пространство-время, и свет, проходящий мимо них, искривляется. Астрономы наблюдают, как свет от далеких галактик изгибается вокруг скоплений галактик так, будто там гораздо больше массы, чем видно. Это как смотреть сквозь кривое стекло, только роль стекла выполняет невидимая темная материя.
Важно понимать, чем темная материя не является:
- она не просто какая-то темная пыль или облака газа, которые мы не видим. Эти вещи все равно взаимодействуют со светом или испускают его.
- она не антиматерия, потому что антиматерия аннигилировала бы с обычной материей, производя гамма-лучи, а мы этого не наблюдаем в таких масштабах.
- она не обычные черные дыры, хотя некоторые гипотезы рассматривают их как малую часть темной материи. Но их недостаточно для объяснения всего объема.
По сути, это какой-то новый вид частиц, который взаимодействует с обычной материей только через гравитацию.
Почему ученые не могут ее найти?
Вот тут-то и начинается самое интересное: если она такая вездесущая, почему мы ее не видим? Ответ прост и сложен одновременно: потому что она крайне «антисоциальна». Темная материя практически не взаимодействует с другими частицами, кроме как через гравитацию. Это делает ее похожей на призрака: мы знаем, что она есть (потому что она двигает вещи), но не можем ее увидеть, потрогать или услышать.
Но ученые не сдаются и используют несколько стратегий, чтобы поймать этого космического невидимку:
Прямые детектирования: поймать призрака за хвост
Самый прямой подход – это попытаться зафиксировать редкие случаи, когда частица темной материи все-таки сталкивается с обычной материей. Для этого строят огромные подземные лаборатории, глубоко под землей, чтобы защититься от космических лучей и других фоновых помех. Там размещают детекторы, наполненные сверхчистыми жидкостями или кристаллами (например, ксеноном или германием), охлажденными до экстремально низких температур. Идея проста: если частица темной материи (часто ее называют WIMP – Weakly Interacting Massive Particle, слабо взаимодействующая массивная частица) пролетит сквозь наш детектор и стукнет по атому, то это столкновение вызовет крошечную вспышку света или электрический импульс. Это как искать иголку в стоге сена, только иголка невидимая, а стог сена — это вся Земля, и вы ждете, пока она случайно ударится о ваш палец.
Такие эксперименты, как XENONnT в Италии или LUX-ZEPLIN в США, постоянно работают, терпеливо ожидая хоть какого-то намека. Но пока что, увы, все эти детекторы молчат. Это не значит, что темной материи нет; это значит, что если WIMPы и существуют, то они взаимодействуют еще слабее, чем мы предполагали, или же их масса отличается от ожидаемой.
Косвенные улики: следы преступления
Если мы не можем поймать темную материю напрямую, может быть, она оставляет какие-то следы? Некоторые теории предполагают, что частицы темной материи могут аннигилировать или распадаться, сталкиваясь друг с другом (или со своими античастицами). В результате таких событий должны рождаться частицы обычной материи, например, гамма-лучи, нейтрино или позитроны. Астрономы используют космические телескопы, такие как Fermi-LAT, или нейтринные обсерватории, как IceCube на Южном полюсе, чтобы искать эти «продукты распада» в областях, где, как считается, много темной материи – например, в центре нашей галактики или в галактических гало. Некоторые аномалии наблюдались, но пока нет однозначных доказательств, что это именно темная материя, а не какие-то другие астрофизические процессы.
Попытки создать: а что если сделать самим?
Третий подход – попытаться создать частицы темной материи в лаборатории. Для этого используются мощные ускорители частиц, такие как Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе. Ученые сталкивают протоны на околосветовых скоростях, надеясь, что в этом «космическом блендере» могут родиться и новые, неизвестные нам частицы. Если бы частица темной материи была создана, она бы просто пролетела сквозь детекторы, не оставив следа, но мы бы заметили, что «чего-то не хватает» в энергии и импульсе после столкновения. Пока что, увы, ничего похожего на темную материю там не нащупали.
Почему поиски так сложны?
Дело не только в слабом взаимодействии. Проблема еще и в том, что мы не знаем точную массу этих гипотетических частиц темной материи. Они могут быть очень легкими (аксионы) или очень тяжелыми (WIMPы, первичные черные дыры). Каждая теория требует своих методов поиска, и ученые вынуждены охватывать огромный диапазон возможных параметров, что делает задачу еще более грандиозной.
Долгое время WIMPы были фаворитами, этаким «золотым стандартом» темной материи. Их существование естественным образом объяснялось некоторыми расширениями Стандартной модели физики частиц. Но десятилетия поисков безрезультатны, и это заставляет ученых все активнее рассматривать и другие кандидаты: акселероны, стерильные нейтрино, даже крошечные первичные черные дыры. Каждый из этих кандидатов – это отдельная детективная история со своими сложностями и методами поиска.
Так что, дело не в том, что темной материи нет. Дело в том, что она чертовски неуловима, и ее «природа» может быть гораздо сложнее, чем мы предполагали. Это космические прятки, в которых темная материя пока выигрывает всухую. Но каждый день ученые по всему миру продолжают свои поиски, строят новые детекторы и разрабатывают новые теории, надеясь, что однажды этот невидимый сосед по Вселенной наконец-то раскроет свои секреты.
