Темная материя – ключ к теории гравитации?

[ comments ]

Недавно приступивший к работе космический телескоп «Джеймс Уэбб» по праву считается главным научным событием года. Наблюдая за Вселенной в инфракрасном диапазоне, Уэбб видит ранее незаметные для нас участки космоса. К слову, мощнейшая космическая обсерватория – не единственное технологическое чудо. Так, недавно состоялся запуск самого чувствительного детектора темной материи LUX-ZEPLIN (LZ), с помощью которого исследователи надеятся уловить гипотетические частицы таинственной субстанции. Считается, что темная материя воздействует на гравитацию всех видимых нами небесных объектов и предположительно составляет 85% Вселенной. Напомним, что поиски частиц темной материи ведутся по меньшей мере 30 лет (но, увы, безуспешно). По этой причине некоторые физики предполагают, что ее не существует вовсе. Но если это действительно так, то физикам придется пересмотреть теорию гравитации.

Видимый и невидимый космос

Наши далекие предки были очарованы космосом и наделяли божественными качествами наблюдаемые небесные объекты. Например, в Древнем Египте бог Солнца (Ра) главенствовал над прочими богами, занимая важнейшее место в религии египтян. Бога Солнца также чествовали в Древней Греции (Гелиос), Древнем Риме (Аполлон), Карфагене (Молох), Персии (Митра) и Японии (Аматэрасу).

Вообще, мифологизация Солнца и его воздействие на земную жизнь были распространенным явлением. Считается, что солярные культы появились в результате потребности человека в свете звезды, чему также способствовало магическое мышление. Более того, практически все последователи солярных культов приносили жертвы и поклонялись своим божествам.

Магическое мышление — это вера в способность определять ход событий с помощью мыслей, слов и ритуалов. Подробнее о том, почему мы верим в сверхъестественное и как научиться мыслить критически, можно прочитать здесь.

К счастью, сегодня мы знаем о Вселенной несравненно больше, а в самом ближайшем будущем станут известны новые подробности о ее рождении. Но какими бы мощными ни были технологии, уловить темную материю ученые так и не смогли. Что странно, так как современная космологическая модель построена на ее предполагаемом существовании.

Существуют ли частицы темной материи?

Считается что темная материя не вступает в электромагнитное взаимодействие и по этой причине ненаблюдаема. Впервые ее существование было предложено лордом Кельвином более века назад в качестве объяснения скорости звезд в нашей галактике. Десятилетия спустя шведский астроном Кнут Лундмарк отметил, что Вселенная должна содержать гораздо больше материи, чем мы можем наблюдать.

Начиная с 1960-х и 70-х годов ученые пытались выяснить что именно представляет собой эта таинственная субстанция и может ли она состоять из неизвестных частиц. Правда, сама по себе теория не дает никаких подсказок и предсказаний относительно того, какими должны быть эти частицы (и что вообще необходимо искать). По этой причине исследователи ищут ее следы в лабораториях и экспериментах, проведенных как под землей, так и в полярных регионах и космосе.

В 2020 году исследователи запустили крайне чувствительный детектор темной материи XENON1T, который зарегистрировал аномально большое число событий. Это означает, что могут существовать как новые элементарные частицы, так и таинственные нейтрино – фундаментальные частицы, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях. О том, какие виды нейтрино существуют и почему их так трудно найти мы рассказывали ранее, не пропустите.

Интересный факт
Ученые понимают наблюдаемую Вселенную в терминах модельной вселенной, в которой обычная материя составляет всего 5% всей энергии в ней. Около 20% состоит из экзотических частиц темной материи, а около 75% – из еще более экзотической темной энергии.

Как новейший детектор ищет темную материю?

Итак, если темная материя действительно состоит из элементарных частиц, можно ли их обнаружить? В поисках ответа на этот вопрос физики трудились над созданием самого чувствительного детектора темной материи LUX-ZEPLI, призванного уловить так называемые вимпы – частицы этого загадочного вещества.

Вимпы происходят от английской аббревиатуры WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) и являются «слабовзаимодействующими массивными частицами», – объясняют ученые.

Чтобы подтвердить или опровергнуть существование вимпов, детектор должен зафиксировать их столкновение с атомами жидкого ксенона – тяжелого благородного газа без цвета, вкуса и запаха. Считается, что подобные столкновения происходят редко, а потому критически важное значение имеет масса одноатомного ксенона. Отметим, что чувствительность детектора LUX-ZEPLIN более чем в 50 раз выше, чем у его предшественников.

Больше по теме: Может ли темная материя формироваться из обычной материи?

Сам детектор расположен на глубине 1600 метров под землей и должен уловить гипотетические частицы темной материи. Исследователи также отмечают, что к моменту завершения эксперимента вероятность обнаружения частиц таинственной субстанции составит менее 50%.

Подземное расположение детектора помогает защитить его от высокоэнергетических протонов и атомных ядер, которые движутся в пространстве почти со скоростью света и исходят от Солнца и других областей Солнечной системы, – объясняют эксперты.

Фактически, единственный способ сделать выводы о темной материи – это обнаружить ее гравитационное влияние, которое удерживает вместе большинство галактик, не позволяя составляющим их звездам разлетаться в разные стороны. На сегодняшний день точно известно лишь одно – темная материя не состоит из протонов и нейтронов.

Может ли темная материя скрываться в дополнительном измерении? Ответ найдете в этой статье здесь, рекомендуем к прочтению!

Доказательства и их отсутствие

Ну а пока одни ученые заняты поиском неизвестных науке частиц, их коллеги смотрят в противоположном направлении, предполагая, что темной материи на самом деле не существует. Так, в 2021 году в журнале Astrophysical Journal была опубликована статья, в которой физики сообщили о незначительных расхождениях в орбитальной скорости далеких звезд, которые обнаруживают неизвестные гравитационные эффекты.

Полученные результаты предполагают, что все дело в недостаточном понимании гравитации: вместо того, чтобы зависеть только от массы объекта, гравитация может зависеть от силы притяжения и других массивных объектов. Подобное взаимодействие означает, что сила гравитации при небольших ускорениях сильнее, чем предсказывали Ньютон и Эйнштейн.

Модели, основанные на этом предположении называются модифицированной ньютоновой динамикой (modified Newtonian dynamics) или MOND. С ее помощью исследователи хотят понять как именно двигаются галактики в скоплениях и как искривляются световые лучи.

Сомнения относительно существования темной материи нашли свое отражение в еще одной научной работе, опубликованной в мае в журнале Nature. Оказалось, что галактики далеко не всегда нуждаются в темной материи, в отличие от модифицированной ньютоновской динамики, которая хорошо вписывается в модель космологической эволюции Вселенной.

И все же большинство исследователей полагают, что темная материя существует в большей части галактик. Основной вопрос заключается в том, почему мы ее не видим ни в каком диапазоне светового спектра. Именно эту информацию ученым предстоит доказать или опровергнуть уже в самом ближайшем будущем. Ну а пока поиски продолжаются, предлагаем обсудить тайны темной материи в нашем Telegram-чате и в комментариях к этой статье, присоединяйтесь скорее!

[ comments ]