Невидимое вещество во вселенной

Невидимый цемент Вселенной

Астрофизик Андрей Дорошкевич рассказал N + 1 о важности темной материи

Темная материя не излучает и не поглощает свет, практически не взаимодействует с «обычной» материей, ученым пока не удалось поймать ни одной «темной» частицы. Но без нее не могла бы существовать знакомая нам Вселенная, да и мы сами. В День темной материи, который отмечается 31 октября (физики решили, что канун Хеллоуина — как раз подходящее время, чтобы устроить праздник в честь темной и неуловимой субстанции), N + 1 расспросил заведующего отделом теоретической астрофизики Астрокосмического центра ФИАН Андрея Дорошкевича о том, что такое темная материя и почему она так важна.

N + 1: Насколько ученые уверены сегодня, что темная материя действительно существует?

Андрей Дорошкевич: Главное свидетельство — это наблюдения флуктуаций реликтового излучения, то есть результаты, которые за последние 15 лет получили космические аппараты WMAP и «Планк».

Они с высокой точностью измеряли возмущение температуры космического микроволнового фона, то есть реликтового излучения. Эти возмущения сохранились с эпохи рекомбинации, когда ионизованный водород превратился в нейтральные атомы.

Эти измерения показали присутствие флуктуаций, очень небольших, примерно в одну десятитысячную кельвина. Но когда они стали сравнивать эти данные с теоретическими моделями, то обнаружили важные отличия, которые нельзя объяснить никак иначе, кроме как присутствием темной материи. Благодаря этому они с точностью до процентов смогли посчитать доли темной и обычной материи во Вселенной.

Распределение вещества во Вселенной (слева направо) до и после появления данных телескопа «Планк»

Ученые предпринимали множество попыток избавиться от невидимой и неощущаемой темной материи, создавались теории модифицированной гравитации, например MOND, которые пытаются объяснить наблюдаемые эффекты. Почему модели с темной материей предпочтительнее?

Ситуация очень простая: современная эйнштейновская теория гравитации хорошо выполняется на земных масштабах, спутники летают в строгом соответствии с этой теорией. И она очень хорошо выполняется на космологических масштабах. А все современные модели, которые изменяют гравитацию, не могут объяснить все. Они вносят новые постоянные в закон Ньютона, что позволяет объяснить эффекты присутствия темной материи на уровне галактик, но промахиваются на космологическом масштабе.

А может ли тут помочь открытие гравитационных волн? Может быть, оно поможет отбросить какие-то из теорий?

То, что сейчас измерили гравитационные волны — это громадный технический, а не научный успех. То, что они существуют, было известно 40 лет назад, когда было обнаружено (косвенно) гравитационное излучение от двойного пульсара. Наблюдения гравитационных волн еще раз подтвердили существование черных дыр, хотя мы в этом и раньше не сомневались, но теперь у нас тут есть более или менее прямое свидетельство.

Форма эффекта, изменения гравитационных волн в зависимости от мощности, могут нам дать очень полезную информацию, но нужно ждать еще лет пять-десять, пока у нас накопится достаточно данных для уточнения теорий гравитации.

Как ученые узнали о темной материи

История темной материи началась в 1933 году, когда астроном Фриц Цвикки исследовал распределение скоростей галактик в скоплении, расположенном в созвездии Волосы Вероники. Он обнаружил, что галактики в скоплении двигаются слишком быстро, и если принимать во внимание только видимое вещество, скопление не могло бы быть стабильным — галактики просто разбросало бы в разные стороны.

В статье, опубликованной 16 февраля 1933 года, Цвикки предположил, что их удерживает вместе невидимое тяготеющее вещество — Dunkle Materie.

Чуть позже несоответствие между «видимой» массой галактик и параметрами их движения подтвердили и другие астрономы.

В 1958 году советский астрофизик Виктор Амбарцумян предложил свое решение парадокса Цвикки. По его мнению, скопления галактик не содержат никакой невидимой материи, которая бы удерживала их гравитационно. Мы просто наблюдаем скопления в процессе распада. Однако большинство астрономов не приняло это объяснение, поскольку в этом случае срок жизни скоплений составлял бы не более одного миллиарда лет, а учитывая, что срок существования Вселенной в десять раз больше, к сегодняшнему дню скоплений просто бы не осталось.

Общепринятые представления о темной материи гласят, что она состоит из вимпов (WIMP), массивных частиц, почти не взаимодействующих с частицами обычной материи. Что можно сказать об их свойствах?

У них достаточно большая масса — и это почти все, даже точную массу мы назвать не можем. Они без столкновений пробегают большие расстояния, но возмущения плотности в них не затухают даже на сравнительно малых масштабах — и это единственное, что нам нужно сегодня для моделей.

Реликтовое излучение дает нам характеристики темной материи для больших масштабов, для масштабов скоплений галактик. Но чтобы «спуститься» на масштабы малых галактик, мы вынуждены пользоваться теоретическими моделями.

Само существование небольших галактик говорит о том, что даже в относительно небольших масштабах существовали неоднородности, возникшие вскоре после Большого взрыва. Такие неоднородности могут затухать, разглаживаться, но мы знаем точно, что они не затухли в масштабах маленьких галактик. Это говорит о том, что эти частицы темной материи должны обладать такими свойствами, чтобы эти возмущения сохранились.

Правильно ли говорить, что звезды могли возникать только благодаря темной материи?

Не совсем. Без темной материи не могли возникнуть галактики, а звезды не могут формироваться вне галактик. В отличие от темной материи, барионы всегда горячие, они взаимодействуют с реликтовым излучением. Поэтому самостоятельно они не могут собираться в звезды, гравитация барионов звездной массы не может преодолеть их давление.

Частицы темной материи действуют как невидимый цемент, который стягивает барионы в галактики, а затем уже в них начинается процесс образования звезд. Темной материи в шесть раз больше, чем барионов, она «руководит», а барионы только за ней тянутся.

Ксеноновый детектор частиц темной материи XENON1T

Источник

НЕВИДИМОЕ ВЕЩЕСТВО ВСЕЛЕННОЙ

Очти за сто лет, прошедших после смерти Струве, астрономическая наука далеко продвинулась вперёд. Открыты были многие новые законы строения звёздной вселенной. Наиболее значительных результатов добились советские учёные.

Для выяснения действительного строения Галактики особенно важно было точно определить величину погло­щения света тёмным веществом межзвёздного простран­ства. Без этого невозможно различить кажущееся изменение звёздной плотности в Галактике; от истин­ного. В самом деле, поскольку Галактика имеет конеч­ные размеры,* то очевидно, что по мере приближения к её краям звёздная плотность должна действительно посте­пенно уменьшаться. Это в свою очередь должно по­влиять на отклонение кривой звёздных подсчётов от тео­ретической кривой. Следовательно, мы не можем считать, что отклонение целиком происходит за счёт поглощения света. Нужно отличить, где кончается поглощение света и где начинается действительное падение плотности. Любой неосторожный подход к учёту по­глощения света мог привести к серьёзным ошибкам. Не­удивительно поэтому, что советские астрономы приложили так много усилий, чтобы точно измерить количество тём­ного вещества в различных местах Галактики.

Но как обнаружить и «взвесить» вещество, которого в огромной Галактике так мало и которое к тому же не­видимо?

Этот вопрос подробно исследовали советские учёные

О. А. Мельников и Е. К. Харадзе. Они установили, что существуют признаки, по которым можно безошибочно судить не только о присутствии, но и о количестве тёмного вещества в Галактике. Это вещество «выдаёт» себя тем, что все наблюдаемые сквозь него звёзды кажутся чуть более красными, чем в обычных условиях. Мельчайшие частицы-пылинки, из которых состоит вещество, неодина­ково пропускают лучи света различных цветов. Из все­возможных световых лучей разных цветов, составляющих белый свет Солнца и звёзд, тёмное вещество больше всего задерживает лучи голубого и зелёного цвета. Лучи крас­ного и жёлтого цвета оно пропускает значительно лучше. Поэтому для наблюдателя звезда кажется тем более крас­новатой, чем через большую толщу тёмных облаков про­ходят её лучи.

Подобное явление можно наблюдать и на Земле.

Каждый замечал, что когда Солнце и Луна находят­ся низко над горизонтом, то они кажутся более крас­ными, чем когда стоят высоко в небе. Это происходит потому, что лучи Солнца и Луны, прежде чем достиг­нуть земной поверхности, должны пройти сквозь слой воздуха, образующий нашу атмосферу. При этом, когда лучи находятся на горизонте, они пронизывают более толстый слой атмосферы, так как падают не отвесно, а наклонно к Земле. В воздухе же всегда находится много мелкой пыли, а в более высоких слоях атмосферы содержится и множество мельчайших ледяных кри­сталликов. Эти частички действуют на свет Солнца и Луны подобно облакам тёмного вещества на свет звёзд: они легко пропускают красные лучи и задержи­вают синие.

Так небольшое покраснение звёзд позволяет обнару­жить наличие тёмного вещества в межзвёздном простран­стве. Причём, как мы видели, ослабление света звёзд можно спутать с уменьшением звёздной плотности, что привело бы к серьёзным ошибкам, покраснение же звёзд ни с чем спутать нельзя.

Мельников и Харадзе на основе тщательных исследо­ваний выяснили также, что «избыток цвета» звёзд или, как его точнее следовало бы назвать, «избыток красноты» позволяет путём несложного вычисления найти общее по­глощение света, т. е. то ослабление яркости звёзд, которое вызывает тёмное вещество. А это дало возможность уста­новить, что в наблюдаемых уклонениях кривой звёздных подсчётов зависит от поглощения, а что — от действитель­ного изменения звёздной плотности. %

Таким путём учёные могут исследовать действительное строение Галактики.

Советские астрономы Н. Ф. Флоря и П. П. Паренаго составили подробную карту звёздного неба, на которой для каждой его точки указана величина поглощения света. Пользуясь этой картой, наши астрономы выяснили теперь точную картину Галактики.

Оказалось, что тёмное вещество рассеяно не по всему объёму Галактики, а расположено внутри неё в виде тон­кого плоского слоя.

Вместе с определением формы Галактики астрономы изучают и звёзды, исследуют их внутреннее строение, со­став, температуру.

Существуют. так называемые переменные звёзды, которые астрономы легко обнаруживают среди остальных звёзд. В их число входит группа звёзд, называемых це­феидами. Эти звёзды как бы «мигают», так как их яр­кость регулярно то увеличивается, то уменьшается. Период изменения блеска продолжается у цефеид от йескольких часов до нескольких дней.

Среди переменных звёзд существуют такие, которые излучают гораздо больше света, чем наше Солнце: неко­торые цефеиды светят в десятки тысяч раз ярче Солнца. Они являются как бы «маяками вселенной». Действи­тельно, огромная яркость такой звезды делает её легко заметной на огромных расстояниях. Как в море далёкие огни маяков помогают морякам находить дорогу, так и переменные звёзды — гиганты среди звёзд — позволяют астрономам ориентироваться в звёздном мире.

Изучая звёзды различных типов, советские астрономы определили их расположение в пространстве. Оказалось, например, что так называемые новые звёзды размещаются лишь поблизости от центральной плоскости Галактики, т. е. главным образом внутри слоя облаков тёмного веще­ства, а цефеиды с короткими периодами изменения бле­ска находятся на более дальних расстояниях от этой пло­скости.

В 1946 году советские учёные В. А. Амбарцумян, Б. Е. Маркарян и другие доказали, что не все звёзды Га­лактики имеют одинаковый возраст. В то время как большинство звёзд имеет возраст, исчисляемый десятками миллиардов лет (как, например, Солнце), встречаются и такие звёзды, возраст которых исчисляется всего миллио­нами, а в отдельных случаях даже сотнями тысяч лет. По сравнению с обычными, эти звёзды находятся сейчас в «младенческом» возрасте. Ведь один миллион лет по сравнению со ста миллиардами — это всё равно, что

5 минут по сравнению с годом.

Таким образом, советские астрономы установили, что в нашей Галактике звёзды образуются и в настоящее время. Этим был нанесён сокрушительный удар по вся­кого рода вымыслам об одновременном возникновении всех звёзд в Галактике.

Источник

Особенности темной материи, о которых вы не знали

Темная материя — это самая загадочная субстанция во Вселенной. Она настолько загадочная, что никто до сих пор точно не знает, существует ли она на самом деле. Это уникальное вещество, из которого, возможно, состоит 80 % нашей Вселенной, никак не взаимодействует с окружающим миром: его невозможно ни увидеть, ни потрогать. Несмотря на этот печальный факт, в честь этого толком еще не открытого вещества учрежден даже собственный праздник — День темной материи, отмечаемый учеными 31 октября. Что ж, праздник в честь темной материи — это далеко не единственная странность столь таинственного вещества.

Темная материя — это самое непонятное и неизученное вещество во Вселенной

Что такое темная материя?

В 1930-х годах швейцарский астроном по имени Фриц Цвикки заметил, что галактики в отдаленном скоплении вращаются друг вокруг друга гораздо быстрее, чем им следовало бы. Ученый предположил, что невидимая субстанция, которую он назвал темной материей, может гравитационно притягивать эти галактики и каким-то образом склеивает их, не давая разбежаться в разные стороны Вселенной.

Прошло почти 90 лет, но исследователи так и не смогли подобраться к разгадке природы темной материи. Единственное, что мы знаем наверняка — это то, что этот таинственный материал можно найти во всем космосе и что он гораздо более распространен во Вселенной, чем видимая нами материя. Что ж, пожалуй, невозможность понять состав таинственного вещества можно считать первой странностью уникальной субстанции.

Можно ли обнаружить темную материю?

Обнаружение темной материи является одним и главных стремлений любого астронома

Если темная материя не способна взаимодействовать с обычной материей, то можем ли мы хоть как-то ее засечь? Наверное, именно таким вопросом задавались ученые, проводившие эксперимент за экспериментом в надежде отыскать ту самую заветную частицу темной материи. Несмотря на долгие годы поисков, следов темной материи на Земле так и не нашли.

Из школьного курса физики вы, скорее всего, знаете, что обычная материя состоит из таких частиц, как протоны и электроны, а также целого зоопарка более экзотических частиц, таких как нейтрино, мюоны и пионы. Пытаясь найти темную материю, исследователи задались вопросом о том, может ли эта таинственная субстанция быть настолько же сложной, как и обычная материя.

По словам исследователя из Гарвардского университета Андрея Каца, нет никаких оснований предполагать, что вся темная материя во Вселенной построена из одного типа частиц. Так, темные протоны могут объединяться с темными электронами, образуя темные атомы, создавая конфигурации столь же разнообразные и интересные, как и те, которые находятся в видимом мире.

Наряду с дополнительными частицами темной материи существует возможность того, что она испытывает силы, аналогичные тем, которые испытывает обычная материя. Некоторые исследователи искали «темные фотоны», которые были бы похожи на фотоны, появляющиеся между нормальными частицами. Если однажды они будут обнаружены, то подобное открытие ознаменует собой новый этап изучения свойств Вселенной.

Есть ли темная материя в нашей галактике?

Огромное количество темной материи сосредоточено прямо в центре нашей галактики

Поскольку темной материи во Вселенной гораздо больше, чем обычной, часто говорят о том, что именно она является некой управляющей силой, которая организует такие большие структуры, как галактики и галактические скопления. Именно поэтому открытие галактики под названием NGC 1052-DF2 стало полнейшей неожиданностью, так как эта структура совершенно не содержит темную материю. Что касается галактики Млечный Путь, то основное скопление темного вещества ученые нашли прямо в центре нашей галактики. Чем же вызвано столь странное и неоднородное распределение таинственного вещества во Вселенной, пока еще неизвестно. Однако, если когда-нибудь эта тайна будет раскрыта, человечество вполне может стать свидетелем развития новой науки.

Если вам понравилась эта статья, давайте попробуем вместе обсудить возможные свойства темной материи в нашем Telegram-чате.

Источник