Легко о сложном: все, что нужно знать о темной материи Вселенной

Темная материя – одна из самых больших загадок современной науки. Прямых доказательств ее существования нет, но есть немало косвенных признаков, указывающих на то, что темная материя не только есть, но и оказывает решающее воздействие на Вселенную.

Космос и звездное небо, к которым веками направляют свои взоры романтики, мечтатели и искатели истины, поражают воображение своими масштабами и красотой. Сейчас, живя в XXI веке, нам приятно думать, что теперь-то, в отличие от наших предков, мы знаем об эволюции Вселенной многое. Мы уже сумели вооружиться мощными телескопами и наблюдаем за космосом онлайн, строим ракеты, человек сделал первый шаг на Луне, а фото черной дыры и вовсе событие, близкое к эпохальным. Мы считаем, что мы что-то знаем, и мы заблуждаемся.

Но то, что видит человек, составляет всего лишь 5% от общего космического пространства. Здесь и все известные нам ближайшие планеты, и мириады звезд, собирающиеся в знакомые и незнакомые нам созвездия. В темную ясную ночь нам кажется, что небо над нами заполнено до краев, свободное место там если и есть, то его не так много...

И тем не менее эта заполненность — всего лишь те самые 5%. Представляете, что до сих пор остается за гранью нашего понимания и восприятия? О том, что не видно нашему глазу и пока что не видно нашим приборам, остается только предполагать. И, по предположениям ученых, остальная часть космоса состоит из своеобразного «материала», который можно разделить на две составляющие: темной энергии (около 75%) и темной материи (около 20%). Особенность заключается в том, что мы не можем разглядеть этот «материал Вселенной» ни под каким углом. Он «темный» не потому, что черного цвета, а потому, что до сих пор остается слепым пятном, лишь умозрительным предположением, но никто на самом деле не знает, что это такое.

Википедия осторожно сообщает, что прямое наблюдение темной материи «затрудняет и, возможно, даже делает невозможным» тот факт, что она не испускает электромагнитного излучения.

Давайте ненадолго обратимся к истории астрономических открытий. Откуда вообще стало известно хотя бы о гипотетическом существовании в космосе иной материи помимо той, которую нам удается увидеть?

Ученые активно изучают космическое пространство довольно давно, и именно в ходе таких исследований в 30-х годах прошлого столетия было обнаружено, что галактики внутри скоплений (в частности внутри самого известного скопления под названием Волосы Вероники) вращаются с огромной скоростью — куда большей, чем та, которая должна быть, если опираться на предположения о суммарной массе скопления. Заметив это несоответствие, ученые сделали вполне логичный вывод, что, вероятно, скопление Волосы Вероники на самом деле значительно тяжелее, чем предполагалось ранее. Следовательно, существует неизведанное пространство, которое присутствует в космосе, но по каким-то причинам остается невидимым.

Свою лепту внесла и теория относительности, согласно которой масса оказывает влияние на окружающее ее пространство, деформируя его и искажая световые лучи (по такому принципу работает, например, всем нам известная линза). Искажение, которое создается галактиками, действительно огромно — и это играет ученым на руку, поскольку по нему становится возможным измерить распределение вещества и его массу. Наблюдая за галактиками и применив к ним выводы теории относительности, ученые сделали второе предположение, что масса всегда значительно больше, чем пространство искажений. Это, в свою очередь, подтверждает догадки о существовании другого материала, который не контактирует с электромагнитным излучением.

В 70-х годах XX века изучение космического пространства продолжалось. В частности, ученые исследовали скорость вращения галактического вещества, расположенного в отдалении от центра Вселенной. Предполагалось, что скорость вращения объектов при движении от центра к периферии, согласно закону всемирного тяготения, должно пропорционально убывать, однако эксперименты показали абсолютно другой результат: даже на отдалении от «ядра» скорость вращения вещества отличается незначительно. На основании этого ученые предположили, что плотность вещества при движении к периферии все-таки отличается несущественно, хотя ранее, исходя из данных о видимой материи, при движении к краю плотность уменьшалась. Логично, что подобное могло происходить только в том случае, если к существующей массе прибавлялась масса «чего-то еще». Впоследствии это таинственное вещество и получило название dark matter, или «темная материя».

Что такое темная материя и как она связана с гравитацией

Из чего состоит темная материя в различных галактиках и по какой причине затруднено ее обнаружение? На сегодняшний день ученым уже удалось изучить барионную материю в нашей Вселенной. Как следует из названия, она состоит из барионов — то есть нейтронов и протонов. Однако исследовать одно лишь барионное вещество недостаточно для того, чтобы понять общее космическое пространство. Как минимум потому, что эта материя не обладает такой уж сильной гравитацией, чтобы, например, всем нам известный Млечный Путь не разлетелся на куски. Видимое космическое пространство создает только 10% гравитационного поля, и поскольку Млечный Путь вращается с очень высокой скоростью, этих процентов катастрофически мало для того, чтобы удержать планеты и звезды на своих орбитах.

Своим существованием галактики и сверхскопления обязаны как раз темной материи, которая, не создавая электромагнитного излучения и не контактируя с ним напрямую, невидима для взгляда исследователя. Сейчас известно лишь, что сконцентрированная материя искривляет поступающий в нее свет и должна обладать следующими характеристиками: быть холодной, медленной и тяжелой — иначе материя не могла бы гравитационно «держать» в едином пространстве целые галактики.

Также известно, что темное вещество существует в двух формах: темной материи, которая, в свою очередь, делится на «горячую», «холодную» и «теплую», и темной энергии. Частично в темной материи присутствует и барионное вещество, однако остальное пространство занимают еще неизвестные и не открытые частицы, не контактирующие со светом, — эту часть принято называть холодной темной материей. Еще около 0,3–3% составляют нейтрино — частицы, которые движутся со скоростью, близкой к скорости света. Именно облака нейтрино называют горячей темной материей. Таким образом, вся космическая материя может быть представлена примерно следующим образом:

• Видимое вещество — 5%.
• Нейтрино — 0,3–3%.
• Барионная темная материя — 4–5%.
• Небарионная темная материя — 20–25%.
• Темная энергия — 70–75%.

Итак, примерно 90–95% Вселенной люди пока не изучили.

Основные кандидаты на полноправное включение в состав 20–25% космического пространства, которые составляет небарионная темная материя, это так называемые WIMP (Weakly Interactive Massive Particles), или слабовзаимодействующие частицы, которые никаким образом не влияют на обычное вещество. Их невозможно увидеть и вместе с этим — невозможно оценить их влияние на окружающее пространство. Масса этих частиц, скорее всего, в несколько раз больше массы протонов, однако эта догадка до сих пор не подтверждена.

Эксперименты по поиску WIMP и всевозможные исследования в этом направлении активно ведутся вот уже почти 30 лет, но пока что не дали подтвержденных результатов помимо предположений и умозрительных гипотез. Да, звучит довольно пессимистично. И тем не менее попытки исследовать WIMP до сих пор не оставлены, потому что даже небольшая вероятность того, что при тех или иных условиях эти частицы все же будут взаимодействовать с обычным веществом, уже достаточное основание для того, чтобы продолжить эксперименты и научные изыскания. Наша планета, вращаясь вокруг Солнца, регулярно проходит сквозь целый «дождь» WIMP-частиц, то есть они, невидимые, есть буквально повсюду. И именно поэтому на протяжении многих лет ученые продолжают наблюдать за космосом, предполагая, что «сигналы» взаимодействия должны меняться, в том числе и в зависимости от движения нашей планеты. Ведь, перемещаясь по орбите, в разное время она попадает под этот «дождь» под разным углом, из-за чего меняются и предполагаемые точки взаимодействия WIMP с обычным протоном. Точнее, так должно быть в теории, поскольку изучающие небарионную темную материю исследовательские группы, как мы уже сказали, пока что не зафиксировали каких-либо осязаемых результатов.

По другой версии, планеты в течение миллиарда лет собственного существования должны концентрировать в себе WIMP, а затем создавать поток нейтрино от планет к центру галактики — в нашем случае к Солнцу. Опираясь на это предположение, сразу несколько исследовательских групп ученых также пытаются обнаружить избыточные выбросы нейтрино, однако вопросов по-прежнему больше, чем ответов.

Темная энергия

Если кратко, в понятие «темная энергия» входят те 70–75% вещества в космическом пространстве, которые так же, как и темная материя, по-прежнему остаются загадкой для современных ученых. В космологии это разновидность космической энергии с отрицательным давлением, которую также можно соотнести с термином «экзотическая материя». К ней относят любое вещество (как правило, неизвестное), нарушающее одно или несколько классических условий элементарных частиц физики. Термин был введен в попытке объяснить ускорение расширения Вселенной — удивительнейшего открытия XX века. Еще в 1929 году астрофизики обнаружили, что Вселенная постоянно движется и расширяется, и к 1998 году стало известно, что она не просто расширяется, но и набирает скорость. Причиной этого ускорения современные ученые считают темную энергию — неизведанное вещество, «двигатель и бензин космоса», влияющее на космическое пространство и заставляющее его растягиваться и увеличиваться. Откуда взяли именно 70–75%? Из теоретических предположений. Ранее считалось, что космическое пространство лишь на 30% состоит из барионной и темной материи. Этого числа было достаточно для того, чтобы Вселенная образовывала форму диска, то есть была плоской. Однако новейшие наблюдения показали, что в космосе имеет место кривизна пространства и времени, так что 30% темной материи недостаточно — ее должно быть как минимум 70% от общего состава Вселенной.

В 2016 году Адаму Риссу — американскому астрофизику, в 2011 году получившему Нобелевскую премию за «Открытие ускоренного расширения Вселенной посредством наблюдения дальних сверхновых», — вместе со своими коллегами удалось узнать скорость расширения Вселенной. В ходе экспериментов было обнаружено, что имеются расхождения в данных о скорости, с которой двигаются друг от друга две галактики, расположенные на расстоянии 3 миллионов световых лет. Адам Рисс назвал число 73 км/сек, в то время как исследования прошлого, основанные на гороскопах и картографии звездных тел, фиксировали этот показатель на 69 км/сек. Расхождение в цифрах вынудило ученых выдвинуть сразу два предположения: либо измерения космологов или телескопов были ошибочными, либо темная энергия каким-либо образом (конечно же, каким именно — наверняка неизвестно) повлияла на Вселенную, вследствие чего изменилась и скорость ее расширения.

Чтобы подтвердить или опровергнуть свои догадки, ученые продолжили исследования с более дорогим и точным оборудованием, придя в конечном итоге к цифре 73,56 км/сек, что стало основанием поверить в то, что скорости расширения «современной» и «древней» Вселенной существенно различаются. Адам Рисс отмечает, что вероятность ошибки составляет 0,01% — и этого достаточно, чтобы считать, что Вселенная не только расширяется, но и продолжает набирать скорость.

По какой причине это происходит и каков состав темной энергии, нам до сих пор точно не известно, однако существует три версии того, что такое темная энергия.

1. Самая простая определяет ее как космологическую константу, которая остается неизменной и наполняет собой все пространство космоса. Как постоянная она присутствует в неизменной форме в любой отдельно взятой массе. Другое название — энергия вакуума, ее же иногда называют «лямбда-член», используя этот термин для обозначения темной энергии в общей теории относительности.
2. Вторая теория совершенно обратная, согласно ей темная материя — это квинтэссенция космоса, некое постоянно изменяющееся в пространстве и времени поле. Это альтернативный вариант описания темной энергии, который был выдвинут в конце XX века астрофизиком Кристофом Веттерихом. Исходя из этой концепции, Вселенная расширяется чуть медленнее, чем в рамках теории о постоянной константе.
3. Наконец, третья теория для скептиков — темной энергии на самом деле не существует, это всего лишь еще неизученные свойства старой доброй гравитации, которая на столь далеком расстоянии попросту действует несколько иначе.

Ни первая, ни вторая, ни третья версии пока еще не доказаны. Тем не менее все полученные к 2019 году данные о составе Вселенной, а их, как известно, не так уж и много, не противоречат первой концепции, поэтому на текущий момент в кругах ученых ее принято считать основной. Чтобы астрофизики смогли окончательно и наверняка выбрать одну из трех версий, нужны тщательно проработанные эксперименты и существенные доказательства, которых пока что не имеется.

Интересно, что ранние данные исследования Вселенной предполагали, что она не ускоряется, а, наоборот, замедляется. Ошибка в определении свойства движения Вселенной была связана с идеей, что невидимая часть космического пространства состоит исключительно из темной материи, поэтому открытие темной энергии, можно сказать, смешало все карты тогдашним астрофизикам. Существование темной энергии, каким бы ни был ее состав, отвечает на вопрос о невидимой массе, наполняющей космическое пространство, равно в той же мере, как и теория нуклеосинтеза Большого взрыва объясняет наличие легких химических элементов (гелия, дейтерия и лития) в новых галактиках, а теория крупномасштабной структуры Вселенной объясняет появление звезд, квазаров и галактических скоплений.

Что дальше?

Ускоренное расширение Вселенной, по словам ученых, началось примерно 5 миллиардов лет назад. Ранее ускорение было замедленным из-за воздействия темной и барионной материй, однако сейчас, в расширяющейся Вселенной, плотность барионной материи уменьшается в разы быстрее, нежели плотность темной материи. То есть, если массу Вселенной увеличить в два раза, плотность барионной материи пропорционально уменьшится в 2 раза, а плотность темной материи останется практически неизменной. В конечном счете это приведет к преобладанию темной материи, что повлечет за собой прямое ее влияние на пространство по одной лишь ей известным законам.

Помимо этого некоторые галактики предположительно уйдут за рамки нашего сверхскопления, то есть станут абсолютно невидимыми из-за того, что превысят скорость света. Хотя относительную скорость галактик, конечно, достаточно тяжело рассчитать, учитывая присутствующее искривление пространства и времени, точность которого пока что не успели изучить.

Еще через некоторое время наше сверхскопление будет подвержено состоянию тепловой смерти, которое было спрогнозировано в рамках теории о преобладании темной материи в существующей модели Вселенной. Есть и другая, еще более интересная теория, согласно которой спустя неопределенное количество времени Вселенная попросту «расползется», а расширяющее действие темной энергии станет настолько сильным, что разрушит любые гравитационные связи между объектами, а потом разорвет и атомы. К чему это приведет? К Большому разрыву — концепции, которая предполагает смерть Вселенной. Обратная (и также вероятная, поскольку обе идеи лишь теории) сторона этой гипотезы — это Большое сжатие, которое произойдет по причине рассеивания или смены свойств темной энергии, что в конечном итоге приведет к очередному Большому взрыву. Данная теория широко приветствуется и поддерживается адептами цикличности истории, в том числе и истории Вселенной.

Новости от физиков

Недавно ученые Оксфордского университета выдвинули предположение, что темная материя и темная энергия во Вселенной — это, простыми словами, два компонента единого целого, которое они называют жидкостью, обладающей отрицательной массой. Эта идея, как и все остальные, пока что остается лишь на уровне предполагаемого, однако она могла бы доказать симметричность космического пространства в положительных и отрицательных качествах, наличие некоего баланса Вселенной. Правда, ранее ученые в принципе исключали само существование отрицательной темной материи, предполагая, что по мере ускоряющегося расширения Вселенной отрицательные массы становятся менее плотными, в то время как существующее космическое пространство ведет себя в точности наоборот. Однако ученые Оксфордского университета под руководством Джейми Фарнса считают, что увеличение отрицательных масс никак не влияет на концентрацию жидкости — она не разбавляется и поэтому не теряет своих свойств. Несмотря на серьезную нереалистичность этой теории, она все равно сумела занять свое место в общей массе предположений.

***

Невзирая на пока безрезультатные эксперименты, ученые по-прежнему продолжают биться (и вряд ли прекратят это делать в ближайшем будущем) над решением самой главной загадки космологии, астрономии и теоретической физики — существованием темной материи и темной энергии, на которых держится большая часть космического пространства. Различных теорий относительно их свойств, состава и влияния великое множество, от повсеместно принятых в кругах ученых до самых безумных, при этом ни одна из них на данном этапе развития человеческого знания и технологий не может быть полностью правильной или неверной. Хотим мы этого или нет, но в реальности мы по-прежнему крайне мало знаем о том, что окружает нас за пределами родной планеты. Все, что есть у ученых, — это различные гипотезы и примерные ориентиры, опираясь на которые можно двигаться в своих изысканиях. Но и они в будущем могут оказаться совершенно ошибочными. Или помогут совершить прорыв поистине вселенского масштаба.