Ликбез RnD.CNews: что вам нужно знать о темной материи

«Темная» — это невидимая, неизвестная, ненаблюдаемая. Именно в этом контексте употребил термин Анри Пуанкаре, который предположительно был первым из ученых, кто его использовал. Это вещество невозможно обнаружить существующими методами — оно не испускает никакого излучения ни в радиоволнах, ни в тепловых, ни в оптическом, ультрафиолетовом или рентгеновском диапазонах.

2. Темная материя действительно существует 

Доказательства неопровержимы: слабое гравитационное линзирование, позволяющее увидеть невидимое, демонстрирует, что галактики обладают большей гравитацией, чем может произвести видимая, обычная материя.

Дополнительное вещество в галактиках также необходимо для объяснения того, почему звезды во внешних рукавах галактик так быстро вращаются вокруг их центров.

Кроме того, колебания температуры в космическом микроволновом фоне нельзя объяснить без темной материи, а структуры, образованные галактиками, тоже не возникли бы без нее.

3. Темная материя и темная энергия — это не одно и то же

Есть два понятия — темная материя и темная энергия. То, что физики классифицируют как материю, должно вести себя как материя, из которой мы состоим, по крайней мере, во всем, что касается ее движения в пространстве и времени. То есть темная материя разбавляется, когда она распространяется в больший объем, и вызывает такую же гравитацию, что и обычная.

Поэтому расширение Вселенной нельзя объяснить только гравитацией. Астрофизики уверены, что существует еще и темная энергия, которая тоже стоит за расширением Вселенной и действует на объекты в галактических масштабах.  Считается, что темная энергия — это примерно 68% Вселенной, а темная материя — только 27%. Оставшиеся 5% приходятся на обычную материю — звезды и межзвездное вещество.

4. Прямых экспериментальных доказательств существования темной материи пока нет

Несмотря на десятилетия поисков, никто никогда напрямую не обнаружил частицу темной материи, и доказательства ее существования лишь косвенные. Физики ищут частицы, из которых могла бы состоять темная материя, а также пытаются обнаружить астрофизические доказательства ее существования — сигналы от взаимной аннигиляции ее частиц.

Самый мощный в мире ускоритель частиц — Большой адронный коллайдер — должен вновь заработать в этом году после реконструкции, но на увеличенной скорости. Задача ученых —  создать темную материю, разгоняя и сталкивая протоны. В установках LUX и XENON1T частицы-кандидаты в темную материю пытаются обнаружить в ксеноне, сверхтекучем гелии и даже в резервуаре с замороженной водой.

В эксперименте ABRACADABRA ученые MIT искали магнитный отпечаток аксионов, но безуспешно. Другие попытки найти темную материю тоже не увенчались успехом, но зато в процессе были сделаны другие открытия: так, огромный детектор нейтрино IceCube доказал реальность астрофизических нейтрино, а в установке PAMELA был обнаружен избыток позитронов. Но убедительно связать что-либо с темной материей пока невозможно. С другой стороны, это тоже хорошая новость — с отсутствием результатов сужается круг поиска.

5. Есть несколько претендентов на роль темной материи

У астрофизиков множество идей на счет того, что может быть темной материей, и этот вопрос постоянно изучается. До недавнего времени наиболее популярным кандидатом была некая гипотетическая слабо взаимодействующая частица — вимп. Но недавнее исследование уже исключает вимпы из этой роли.

Еще один кандидат на эту роль — аксион, тоже гипотетическая очень легкая частица, которая оставляет после себя конденсат, заполняющий Вселенную.

Есть и другие типы частиц-кандидатов, которые имеют более сложные взаимодействия или большую массу, такие как Вимпзилла и пр.

6. Уже известно, что не может являться темной материей

При этом физики считают, что темная материя не может быть образована тусклыми коричневыми карликами или черными дырами. Основная причина заключается в том, что мы знаем общую массу, которую темная материя приносит в нашу галактику, и она примерно в 10 раз больше, чем видимая материя. Если бы такое количество массы образовалось из черных дыр, мы бы постоянно наблюдали явления гравитационного линзирования, но этого не происходит.

А, например, нейтрино, хотя и слабо взаимодействуют, не могут образовывать темную материю, потому что слишком легкие и не способны слипаться достаточно сильно, чтобы заполнить галактики.

7. Открытие темной материи не поможет разрешить все загадки Вселенной

Возможно, мы находимся на пороге разгадки того, что такое темная материя. Но может быть и наоборот — у ученых просто нет возможности узнать, способны ли эксперименты, которые сейчас проводятся, гарантированно раскрыть природу темной материи. И даже если получится идентифицировать это вещество, мы все еще не сможем ответить на вопрос, как работает Вселенная. Для этого понадобится решать более сложную загадку — найти темную энергию, над поиском которой астрофизикам придется еще больше поломать голову, чем над темной материей.