Темная материя, пожалуй, самая загадочная субстанция во Вселенной. Что именно это, однако, до сих пор ускользает от нас.
Темная материя - одна из самых загадочных и в то же время самых вездесущих субстанций во Вселенной. В то время как такие вещи, как люди, Земля, Солнце и все, что излучает или поглощает свет в космосе, состоят из обычной материи , включая такие частицы, как протоны, нейтроны и электроны , которые составляют лишь одну шестую всей массы во Вселенной. Остальные пять шестых, подавляющее большинство, составляют темная материя.
Мы можем сказать, что темная материя существует, и даже сделать вывод о некоторых ее свойствах, наблюдая, как она влияет на материю и свет, которые мы можем наблюдать, особенно в крупномасштабных астрофизических средах. Но тот факт, что темная материя до сих пор ускользала от прямого лабораторного обнаружения, означает, что ряд ее свойств остаются открытыми. Вот пять вещей, которые мы знаем о темной материи, а также пять вещей, которые мы не знаем, поскольку мы исследуем пределы наших научных границ.
1.) Темная материя - это не просто обычная материя, которую мы не можем обнаружить. Это то, что полностью известно. Темная материя не может быть:
- неудавшиеся звезды,
- облака газа,
- пылинки,
- астероиды или кометы,
- сгустки обычной материи размером с баскетбольный мяч,
- ионизированная плазма,
- черные дыры,
или что-либо еще, изначально сделанное из обычной материи. У нас есть набор доказательств, исключающих такую возможность.
Основываясь на самых ранних, самых нетронутых облаках газа, которые мы когда-либо обнаруживали, мы можем измерить, сколько водорода, дейтерия, гелия-3, гелия-4 и лития-7 родилась во Вселенной. вскоре после Большого взрыва. Эти измерения точно определяют, сколько нормальной материи было рождено во Вселенной, и это значение составляет лишь одну шестую от необходимого количества общей массы. Таким образом, оставшиеся пять шестых должны быть чем-то совершенно другим: темной материей.
2.) Темная материя должна быть холодной по своей природе Теоретически любая (до сих пор не открытая) частица, ответственная за темную материю, могла бы иметь любая масса вообще и могла быть создана движущейся быстро или медленно или вообще не движущейся относительно скорости света. Но если бы темная материя двигалась быстро, ее свойства подавляли бы формирование структуры в малых масштабах, что приводило бы к структурам, отличным от наблюдаемых нами.
В частности, у нас есть три линии наблюдательных данных, которые ограничивают температуру темной материи: гравитационное линзирование квазаров с четырьмя линзами, особенности поглощения на луче зрения удаленных объектов и приливные волны. потоки в окрестностях Млечного Пути. Все три из них учат нас одному и тому же: темная материя должна быть либо очень тяжелой, либо должна родиться медленной. Другими словами, темная материя должна была быть «холодной» даже на самых ранних стадиях развития Вселенной, а не горячей или теплой.
3.) Темная материя не должна сильно взаимодействовать сама с собой, со светом или с нормальной материей Нет сомнений, что если темная материя существует, должен был быть путь для ее создания в молодой Вселенной. Однако каким бы ни был этот путь, эти взаимодействия больше не происходят и не происходили в большом количестве в течение очень долгого времени.
Эксперименты по прямому обнаружению не выявили темной материи, что ограничивает ее возможную массу и поперечное сечение. Он не поглощает и не размывает далекий звездный свет, что ограничивает его взаимодействие со светом. Он не аннигилирует сам с собой выше определенного порога, иначе в центрах галактик был бы виден большой и рассеянный сигнал гамма-излучения. На самом деле, это на 100% согласуется с отсутствием взаимодействия через любой из этих механизмов. Если мы надеемся обнаружить его напрямую, нам придется раздвинуть эти пределы еще больше, и даже в этом случае нет гарантии положительного сигнала. Темная материя может вообще не взаимодействовать таким образом.
4.) Эффекты темной материи наиболее преобладают, в среднем, в самых маленьких галактиках из всех Это немного нелогично, но было подтверждено наблюдениями практически везде, куда бы мы ни посмотрели. Законы тяготения обращаются со всеми формами материи одинаково. Но другие силы, такие как ядерные и электромагнитные силы, воздействуют только на обычную материю. Когда в галактике происходит большой всплеск звездообразования, все это излучение просто проходит через темную материю, но может столкнуться с обычной материей и поглотиться ею.
Это означает, что если масса вашей галактики в целом достаточно мала, эта нормальная материя может быть выброшена в результате интенсивных эпизодов звездообразования. Чем меньше и меньше масса вашей галактики, тем большее количество нормальной материи будет выброшено, а вся темная материя останется. В самых ярких примерах карликовые галактики Segue 1 и Segue 3, оба спутника Млечного Пути, содержат всего несколько сотен звезд, но в целом около 600 000 масс Солнца. Отношение темной материи к нормальной материи составляет примерно 1000:1, в отличие от 5:1 в большинстве крупномасштабных структур.
5.) Темная материя вызывает гравитационные эффекты в местах, где нет нормальной материи Это одно из самых убедительных доказательств всех что темная материя не может быть просто нормальной темной материей. Когда две группы или скопления галактик сталкиваются, межгалактический газ и плазма сталкиваются и нагреваются, испуская рентгеновские лучи (показаны розовым цветом). Это представляет собой подавляющее большинство обычной материи, гораздо больше, чем то, что содержится в звездах и самих отдельных галактиках.
Но сигнал от массы, полученный с помощью гравитационного линзирования, показывает, что большая часть массы расположена там, где показаны синие контуры. Это может быть правдой, учитывая большое разнообразие сталкивающихся скоплений, где это было продемонстрировано, если какая-то новая форма массы подчиняется другим законам столкновения, чем обычная материя. Неизбежный вывод состоит в том, что какая-то новая форма материи - темная материя - должна составлять большую часть массы Вселенной.
Однако то, что мы что-то знаем о темной материи, не означает, что мы знаем все. На самом деле, вот пять основных фактов, о которых мы не знаем.
1.) Мы не знаем, какие частицы ответственны за темную материю, и является ли она вообще частицей Мы знаем что темная материя существует, что она существенно не взаимодействует сама с собой, нормальной материей или излучением, и что она холодная. Но мы не знаем, какими свойствами он на самом деле обладает. Темная материя может быть:
- большое количество маломассивных частиц, родившихся холодными, как аксион,
- меньшее количество частиц с большей массой (WIMPs), родившихся горячими в ранней Вселенной, таких как нейтралино,
- еще меньшее количество сверхмассивных частиц, возникших в результате гравитационных взаимодействий (WIMPzillas),
- частица масштаба GUT, которая возникла в результате физики, которую нам еще предстоит полностью понять (например, тяжелое правостороннее нейтрино),
- или даже жидкость, не похожая на частицы, которая пронизывает Вселенную и тяготеет.
Но все наши усилия по прямому обнаружению частицы или поля-кандидата на роль темной материи ни к чему не привели. Мы косвенно видим его астрофизические эффекты, и это бесспорно, но в масштабах частиц мы понятия не имеем, что происходит.
2.) Мы не знаем, является ли «темный сектор» простым или насыщенным Темной материей, если предположить, что она состоит из частицы, состоящие из частиц одного типа? Независимо от того, является ли это одним и тем же компонентом или нет, частицы темной материи связываются вместе и образуют более крупные и богатые структуры, чем просто отдельные частицы? Существуют ли темные атомы, темные молекулы или еще более крупные структуры, состоящие исключительно из темной материи?
Мы знаем, что темная материя не сталкивается неупруго с самой собой и не теряет значительное количество углового момента, но мы когда-либо исследовали структуру темной материи только в масштабах нескольких тысяч световых лет. В масштабах меньше этого? В высшей степени возможно, что там существует целая темная Вселенная , возможно, даже включающая некую темную «периодическую таблицу», состоящую из нескольких различных типов темных частиц, которые взаимодействуют друг с другом. Единственное ограничение состоит в том, что они делают это при пороге, который падает ниже того, на который мы уже наложили ограничения.
3.) Всегда ли существовала во Вселенной темная материя или она была создана в более позднее время?Это один из самые глубокие вопросы мы умеем задавать, но не знаем ответов. Возможно, темная материя - это так называемый термальный реликт, где:
- на ранних стадиях горячего Большого Взрыва были созданы всевозможные частицы и античастицы,
- по мере остывания Вселенной нестабильные распадаются и аннигилируют,
- но если один из них (до сих пор не обнаруженный) стабилен либо в цепочке распада, либо достаточное их количество переживет аннигиляцию, это может стать темной материей.
Это темная материя, которая существовала всегда, поскольку она была создана, как только начался горячий Большой Взрыв. Но есть и другой способ, подчеркнутый диаграммой выше:
- Вселенная остывает, и оранжевый шар скатывается в долину внизу, где становится голубым шаром,
- этот мяч имеет степень свободы, при которой он может катиться по дну и с равной вероятностью занимать все точки,
- пока не произойдет что-то, что изменит весь потенциал, что, в конце концов, даст ему предпочтительное направление.
Этот последний сценарий соответствует аксионоподобному сценарию, когда эти частицы приобретают маленькую, но не нулевую массу покоя и вырываются из квантового вакуума в больших количествах. Темная материя, возможно, не всегда существовала, но могла быть создана позже: до образования звезд и до того, как было испущено реликтовое излучение, но после ранних стадий горячего Большого взрыва.
4.) Является ли темная материя вечно стабильной или она вся когда-нибудь распадется?Это еще одна ситуация, когда все, что у нас есть, ограничения. Из пиков и спадов флуктуаций космического микроволнового фона мы знаем, что темная материя должна была существовать в соотношении 5 к 1 с нормальной материей, когда Вселенной было всего несколько тысяч лет. Из наблюдений за крупномасштабными структурами и центрами галактик мы знаем, что соотношение темной материи и нормальной материи за последние 13,8 миллиардов лет не изменилось на сколько-нибудь измеримую величину.
Но темная материя может распасться в масштабе времени, превышающем возраст Вселенной, и у нас пока нет возможности узнать об этом. Время жизни в несколько сотен миллиардов лет или больше все еще на столе, а это означает, что возможно, что в очень далеком будущем, может быть, даже пока звезды еще горят, темная материя распадется на обычную материю, антиматерию и/или радиация, в конце концов. Пока мы не узнаем, каковы его свойства, это останется загадкой.
5.) Найдут ли его какие-либо из наших экспериментов по прямому обнаружению, или это бесплодная попытка?Возможно, мы находимся на на пороге поиска экспериментального ключа к тому, что на самом деле представляет собой темная материя. Но, возможно, нет; возможно, все, что мы собираемся сделать, - это наложить ограничения на то, что мы умеем измерять, например, на частоту событий, сечения рассеяния, а также свойства и связи потенциальных частиц. У нас нет возможности узнать, способны ли эксперименты, которые мы сейчас проводим, раскрыть природу темной материи, какой бы она ни была.
Возможно, мы получим объявление о потенциальной частице темной материи в любой момент в результате множества экспериментов, но также возможно, что способы, которыми мы в настоящее время ищем темную материю, никогда не будут реализованы. плодоносят. Тем не менее, мы не только знаем, что темная материя существует из астрофизических данных, но и окончательно обнаружили большое количество информации о том, что она собой представляет, как ведет себя и чем она не может быть. В стремлении понять нашу Вселенную одна вещь стоит выше всех остальных: мы должны быть интеллектуально скрупулезными и честными в отношении того, что мы знаем, чего мы не знаем и что остается неопределенным.