Он почти не взаимодействует с нормальной материей, и тем не менее может быть необходим для самой жизни.
«Привилегия всей жизни - быть тем, кто ты есть». - Джозеф Кэмпбелл
Темная материя - самая загадочная, невзаимодействующая субстанция во Вселенной. Его гравитационные эффекты необходимы для объяснения вращения галактик, движения скоплений и крупнейшей масштабной структуры во всей Вселенной. Но в меньших масштабах он слишком разреженный и рассеянный, чтобы каким-либо значимым образом повлиять на движение Солнечной системы, на материю здесь, на Земле, или на происхождение и эволюцию людей. Тем не менее, гравитация, которую обеспечивает темная материя, абсолютно необходима для того, чтобы позволить нашей галактике удерживать сырые ингредиенты, которые вообще сделали возможной жизнь, подобную нашей, и планеты, подобные Земле. Без темной материи во Вселенной, скорее всего, вообще не было бы признаков жизни.
Звезды составляют 100% света, который мы наблюдаем во Вселенной, но только 2% массы. Когда мы смотрим на движение галактик, скоплений и т. д., мы обнаруживаем, что количество гравитационной массы превышает звездную массу в пятьдесят раз. Однако вы можете подумать, что другие типы нормальной материи могут объяснить эту разницу. В конце концов, мы обнаружили во Вселенной множество других типов материи, помимо звезд, в том числе:
- звездные остатки, такие как белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры,
- астероиды, планеты и другие объекты с массой слишком малой (например, коричневые карлики), чтобы стать звездами,
- нейтральный газ как внутри галактик, так и в пространстве между ними,
- светоблокирующая пыль и туманные области,
- и ионизированная плазма, встречающаяся в основном в межгалактической среде.
Все эти формы обычной материи - или материи, изначально состоящей из того же самого, что и мы: протонов, нейтронов и электронов - на самом деле вносят свой вклад в то, что там есть, в частности газ и плазма, каждая из которых вносит больший вклад чем сумма всех звезд во Вселенной. Но даже сложение всех этих компонентов вместе дает нам лишь около 15-17% от общего количества вещества, необходимого для объяснения гравитации. Для остальных наблюдаемых нами движений нам нужна новая форма материи, которая не только отличается от протонов, нейтронов и электронов, но и не совпадает ни с одной из известных частиц Стандартной модели. Нам нужен какой-то тип темной материи.
Меньшинство ученых выступает за то, чтобы не добавлять какой-то невидимый источник массы, а вместо этого модифицировать законы гравитации. Все эти модели имеют трудности, в том числе невозможность воспроизвести полный набор наблюдений, включая отдельные галактики, движущиеся внутри скоплений, космический микроволновый фон, столкновения скоплений галактик (вверху), великую космическую паутину или закономерности, наблюдаемые в крупномасштабной структуре галактик. Вселенная. Но есть важное свидетельство, указывающее на существование темной материи, которого вы, возможно, не ожидаете: само наше существование.
Вы можете удивиться, узнав, что темная материя нужна нам не только для объяснения астрофизических явлений, таких как галактическое вращение, движение кластеров и столкновения, но и для объяснения происхождения самой жизни!
Чтобы понять почему, все, что вам нужно помнить, это то, что Вселенная началась из горячего, плотного состояния - горячего Большого Взрыва - где все началось как в основном однородное море индивидуальных, свободных, высоко- энергетические частицы. По мере того как Вселенная расширяется и остывает, мы можем образовывать протоны, нейтроны и легчайшие ядра (водород, дейтерий, гелий и незначительное количество лития), но больше ничего. Только через десятки или даже сотни миллионов лет материя сколлапсирует в достаточно плотные области, чтобы сформировать звезды и то, что в конечном итоге станет галактиками.
Все это произойдет просто прекрасно, хотя и по-разному в деталях, независимо от того, было ли много темной материи или ее совсем не было. Но для того, чтобы сделать необходимые для жизни элементы в большом изобилии - такие элементы, как углерод, кислород, азот, фосфор и сера - их необходимо выковать в ядрах самых массивных звезд во Вселенной. Однако там они не приносят нам никакой пользы; чтобы сделать возможным создание каменистых планет, органических молекул и (в конечном итоге) жизни, им необходимо выбросить эти более тяжелые атомы обратно в межзвездную среду, где они могут быть переработаны в будущие поколения звезд. Для этого нам нужен взрыв сверхновой.
Но мы наблюдали эти взрывы в мельчайших подробностях, и, в частности, мы знаем, как быстро этот материал выбрасывается из звезд в их предсмертной агонии: порядка тысячи километров в секунду.(Остаток сверхновой Cas A имеет выброс, оставляющий его со скоростью от 5 000 до 14 500 км/с!) Хотя это может показаться не таким уж большим числом, особенно по сравнению со скоростью света, помните, что наша собственная звезда вращается вокруг своей оси. Млечный Путь всего около 220 км/с. На самом деле, если бы Солнце двигалось хотя бы в три раза быстрее, мы бы обнаружили, что - сегодня - уходим далеко за пределы гравитационного притяжения нашей галактики.
Остаток сверхновой может увидеть, как самый быстрый из его выбросов покидает светящуюся звездную часть галактики, но в сочетании с интенсивным гравитационным притяжением рассеянного протяженного гало темной материи мы держать большую часть этой массы внутри нашей собственной галактики. Со временем он вернется к областям, богатым нормальной материей, сформирует нейтральные молекулярные облака и будет участвовать в последующих поколениях звезд, планет и более интересных органических молекулярных комбинаций.
Но без дополнительной гравитации массивного ореола темной материи, окружающего галактику, подавляющее количество материала, выброшенного сверхновой, навсегда покинуло бы галактики. Он будет свободно плавать в межгалактической среде и никогда не будет включен в будущие поколения звездных систем. Во Вселенной без темной материи у нас все еще были бы звезды и галактики, но единственными планетами были бы газовые гиганты, без скалистых планет, без жидкой воды и с недостаточным количеством ингредиентов для жизни, какой мы ее знаем. Без большого количества тяжелых элементов, обеспечиваемых поколениями массивных звезд, жизнь на основе молекул, подобная нашей, никогда бы не возникла.
Только присутствие этих массивных ореолов темной материи, окружающих наши галактики, позволяет основанной на углероде жизни, закрепившейся на Земле - или на такой планете, как Земля, если уж на то пошло - , даже быть возможности в нашей Вселенной. Когда мы пришли к пониманию того, из чего состоит наша Вселенная и как она стала такой, какая она есть, нам остается сделать один неизбежный вывод: темная материя абсолютно необходима для возникновения жизни. Без него химия, которая лежит в основе всего этого , - тяжелые, сложные элементы, ингредиенты, необходимые в первую очередь для биологии, и скалистые планеты, на которых держится жизнь , - вообще никогда не могла бы возникнуть.