С тех пор, как человек впервые обратил свой взор к звездному небу, он стремился постичь тайны мироздания.
Но даже сегодня, в эпоху грандиозных телескопов, способных заглянуть в самые отдаленные уголки космоса, мы осознаем, что видим лишь малую часть грандиозной картины. За кулисами знакомого нам мира, сотканного из звезд, галактик и туманностей, скрывается загадочная сущность, окутывающая Вселенную невидимой паутиной — темная материя.
Её существование проявляется лишь косвенно, через гравитационное воздействие на видимые объекты, но её истинная природа остается одной из самых захватывающих загадок современной науки.Путь к открытию темной материи — это история смелых гипотез, ожесточенных споров, удивительных прозрений и неустанных поисков, растянувшихся на столетия. Астрономы и физики шаг за шагом собирали улики, свидетельствующие о присутствии невидимой силы, управляющей движением небесных тел.Космическая паутина, иллюстрацияАвтор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3Источник:www.bing.comСодержаниеI.
От философских догадок до первых наблюденийII. Скопления галактик: прорыв Цвикки и годы сомненийIII. Темная материя выходит на первый планIV.
От нейтрино до WIMPs: поиск частиц темной материиV. Неудачные попытки реабилитации барионной темной материиVI. Альтернативный путь — модифицированная гравитацияVII. Темная материя в контексте космологииVIII.
От прямых поисков к косвенным сигналам: частицы темной материиЗаключениеI. От философских догадок до первых наблюденийИдея о том, что за пределами наших чувств может скрываться нечто неуловимое, не нова. Уже философы Древней Греции, стремясь постичь устройство мира, размышляли о существовании невидимой материи.Невидимые частицы и незримые мирыАтомисты — Демокрит, Левкипп, Эпикур — верили, что вся материя состоит из мельчайших, неделимых частиц — атомов, которые невозможно увидеть невооруженным глазом. Они также полагали, что пространство бесконечно и содержит бесчисленное множество миров, как похожих, так и непохожих на наш.
Хотя эти идеи были скорее умозрительными, нежели основанными на эмпирических данных, они демонстрировали стремление человека выйти за рамки непосредственно воспринимаемого и задуматься о существовании скрытых от нас реальностей.В эпоху Возрождения Галилей, направив свой телескоп в небо, совершил ряд революционных открытий. Он увидел невидимые ранее звезды Млечного Пути, доказав, что наша Галактика — это огромный звездный остров, а не просто светящаяся полоса на небе. Он также открыл четыре спутника Юпитера, которые были невидимы невооруженным глазом, демонстрируя, что Вселенная может содержать объекты, скрытые от прямого наблюдения. Эти открытия стали важным уроком: мир не ограничивается тем, что мы можем непосредственно увидеть, и новые технологии способны расширить горизонты нашего познания.Зарисовки Луны из рабочей тетради Галилея.
1609 г., Центральная Национальная библиотека, ФлоренцияАвтор: Авторство: Galileo Galilei. Biblioteca Nazionale, Firenze, Общественное достояниеИсточник:commons.wikimedia.orgНеуловимые объектыЗаконы движения и всемирного тяготения, сформулированные Исааком Ньютоном в XVII веке, предоставили астрономам новый мощный инструмент — возможность вычислять массу небесных тел по их гравитационному воздействию на другие объекты.В 1783 году английский физик и геолог Джон Мичелл, опираясь на законы Ньютона, выдвинул гипотезу о существовании «темных звезд». Он предположил, что могут существовать звезды настолько массивные, что их гравитация не позволяет свету покинуть их поверхность.
Эти объекты оставались бы невидимыми для наблюдателя, но их присутствие можно было бы обнаружить по гравитационному воздействию на другие звезды. Так зародилась идея черных дыр, которая впоследствии нашла свое подтверждение в рамках общей теории относительности Альберта Эйнштейна.В начале XIX века немецкий математик и астроном Фридрих Бессель, изучая движение звезд Сириус и Процион, обнаружил странные отклонения в их траекториях. Он предположил, что на эти звезды гравитационно влияют невидимые спутники, которые он назвал «темными звездами».
Это предсказание блестяще подтвердилось спустя несколько десятилетий, когда были открыты слабо светящиеся компаньоны Сириуса и Проциона — белые карлики, представляющие собой конечную стадию эволюции солнцеподобных звезд.Траектория движения Сириуса по небесной сфере, XIX векАвтор: Общественное достояниеИсточник:commons.wikimedia.orgАналогичным образом, в 1846 году, было предсказано и существование планеты Нептун. Французский астроном Урбен Леверье и английский астроном Джон Кауч Адамс независимо друг от друга обнаружили отклонения в движении Урана, которые не могли быть объяснены гравитационным воздействием известных планет. Они предположили, что на Уран влияет еще одна, неизвестная планета, и вычислили её предполагаемое положение. Вскоре после этого Нептун был обнаружен немецким астрономом Иоганном Галле практически в том месте, которое было предсказано Леверье и Адамсом.9-дюймовый телескоп-рефрактор, который Галле использовал для открытия НептунаАвтор: By tm-md — https://www.flickr.com/photos/28224460@N00/15803973590/, CC BY-SA 2.0Источник:commons.wikimedia.orgВ конце XIX века астрономы также начали обсуждать возможность существования «темных туманностей» — облаков невидимой материи, затемняющих свет звёзд.
Эти туманности проявляли себя как темные пятна на фоне звездного неба, но их природа оставалась неясной.Первые попытки взвесить невидимоеВ конце XIX века британский физик Уильям Томсон, более известный как Лорд Кельвин, один из основоположников термодинамики и статистической физики, предпринял первую попытку динамически оценить количество невидимой материи в Млечном Пути.Рассматривая звезды нашей Галактики как газ частиц, движущихся под действием сил гравитации, Кельвин пришел к выводу, что вся масса Галактики, вероятно, должна быть значительно больше массы видимых звезд. Он предположил, что основная часть массы нашей Галактики сосредоточена в «темных телах» — объектах, которые не излучают света.Вдохновленный исследованиями Кельвина, французский учёный Анри Пуанкаре в 1906 году впервые использовал термин «темная материя» («matière obscure» в оригинале) для обозначения невидимой материи, обнаруженной Кельвином.
Анализируя динамику звезд в Млечном Пути, Пуанкаре заключил, что количество темной материи не превышает количество видимой материи.В 1915 году эстонский астроном Эрнст Опик, изучая движение звезд в Галактике, построил модель, которая также указывает на возможность существования темной материи. Но, как и Пуанкаре, он считал, что она присутствует в небольших количествах.Голландский астроном Якобус Каптейн, один из пионеров исследования структуры Млечного Пути, также предположил возможность существования темной материи.
В своей работе, опубликованной в 1922 году, он представил количественную модель нашей Галактики, описав её как сплюснутое распределение звезд, вращающихся вокруг оси, направленной к Галактическому полюсу. Каптейн подчеркнул, что его модель не исключает наличие темной материи, но он полагал, что её количество не может быть значительным.Модель внешнего вида Млечного Пути с указанными деталями структуры и галактическими долготамиАвтор: Авторство: Milky_Way_2005.jpg: R.
Hurtderivative work: antropia (talk). Milky_Way_2005.jpg, Общественное достояниеИсточник:commons.wikimedia.orgВ 1932 году Ян Оорт, продолжая исследования своего наставника Каптейна, представил работу, посвященную анализу движения звезд перпендикулярно плоскости Млечного Пути в ближайших окрестностях Солнца. Он уточнил оцениваемую плотность темной материи и выдвинул гипотезы о её природе.
Оорт считал, что темная материя, вероятно, может состоять из слабых звезд, туманностей и метеоритного вещества.II. Скопления галактик: прорыв Цвикки и годы сомненийВ 1930-е годы Фриц Цвикки, швейцарско-американский астроном, известный своим эксцентричным характером и неортодоксальными идеями, совершил прорыв в понимании проблемы темной материи.Рождение проблемы «недостающей массы»Изучая скорости галактик в скоплении под названием Волосы Вероники, Цвикки обнаружил поразительную вещь: галактики двигались намного быстрее, чем следовало бы ожидать, исходя из массы видимого вещества. Применив теорему вириала — закон, связывающий кинетическую и потенциальную энергию системы, — Цвикки получил оценку массы скопления, которая в сотни раз превышала массу видимых галактик.Скопление Волос ВероникиАвтор: NASA / JPL-Caltech / L.
Jenkins (GSFC). http://www.spitzer.caltech.edu/images/1803-ssc2007-10a1-Dwarf-Galaxies-in-the-Coma-Cluster, Общественное достояниеИсточник:commons.wikimedia.orgЭтот результат был настолько неожиданным, что многие астрономы отнеслись к нему скептически.
Параллельно с Цвикки, американский астроном Синклер Смит, исследуя скопление галактик в созвездии Девы, также пришел к выводу, что наблюдаемая масса этого скопления значительно превышает массу видимых объектов.Скопление ДевыАвтор: ESA, NASA. http://www.astrocd.pl/modules.php?name=coppermine&file=displayimage&album=random&cat=&pos=-62, Общественное достояниеИсточник:commons.wikimedia.orgСкептицизм и поиск альтернативРезультаты исследований Цвикки и Смита положили начало проблеме «недостающей массы», которая на долгие годы стала предметом живых дискуссий в астрономическом сообществе.
Многие ученые не могли поверить в существование такого большого количества невидимой материи и искали альтернативные объяснения наблюдаемым аномалиям.Предлагались различные гипотезы: от неправильной интерпретации данных до модификации законов гравитации. Однако никакая из них не могла полностью удовлетворительно объяснить все наблюдаемые факты.III.
Темная материя выходит на первый планВ 1970-х годах изучение скоростей вращения звезд и газа в галактиках в зависимости от их удаленности от центра — кривых вращения — привнесло новые данные в проблему темной материи.Первые измерения и неожиданные результатыПервые измерения кривых вращения галактик были проведены ещё в первой половине XX века. В 1914 году немецкий астроном Макс Вольф и американский астроном Весто Слайфер, независимо друг от друга, обнаружили, что галактика Андромеды (M31) вращается.
Это открытие было сделано на основе анализа доплеровского смещения спектральных линий, испускаемых галактикой: линии сдвигались в красную сторону спектра на одном краю галактики и в синюю сторону на другом краю, что свидетельствовало о движении газа и звезд в разных направлениях.Кривая вращения галактики: (A) ожидаемая; (B) реальнаяАвтор: GalacticRotation2. svg: user:PhilHibbsderivative work: Anton Gutsunaev (talk)This SVG image was created by Medium69.
Cette image SVG a été créée par Medium69. Please credit this: William Crochot. GalacticRotation2.
svg, CC BY-SA 3.0Источник:commons.wikimedia.orgСпустя несколько лет, в 1917 году, американский астроном Фрэнсис Пиз провел более детальные измерения вращения центральной области Андромеды с помощью 60-дюймового телескопа обсерватории Маунт-Вилсон. Вопреки ожиданиям, скорость вращения не снижалась с увеличением расстояния от центра галактики, а оставалась практически неизменной.В 1939 году американский астроном Хорас Бабкок представил в своей диссертационной работе кривую вращения галактики Андромеды, построенную на основе анализа спектральных данных.
Продолжив измерения, Бабкок выявил ещё более неожиданный эффект: скорость вращения звезд в Андромеде не только не уменьшалась с удалением от центра, но даже начинала возрастать. Такой характер вращения шел вразрез с предсказаниями, основанными на ньютоновской гравитации и наблюдаемом распределении видимой массы, сконцентрированной преимущественно в центральных областях галактики. Бабкок предположил, что такое поведение скорости вращения может объясняться присутствием в галактике скрытой от наблюдения материи.Открытие «плоских» кривых вращенияВ 1970-х годах прогресс в технологии наблюдений, в особенности в области радиоастрономии, предоставил астрономам возможность получать более точные и детальные данные о вращении галактик.
С помощью новых инструментов астрономы смогли изучать движение звезд и газа не только в ярких центральных областях галактик, но и на далекой периферии, выходящей за пределы видимого звездного диска.Астрономы ожидали, что по мере удаления от центра галактики, где сосредоточена основная масса видимых звезд, скорость вращения будет постепенно снижаться. Это логично следовало из законов Ньютона: сила гравитации, притягивающая звезды к центру галактики, ослабевает с расстоянием.
Однако реальность оказалась гораздо удивительнее.Австралийский астроном Кен Фриман, анализируя в 1970 году кривые вращения галактик M33 и NGC 300, полученные из радиоастрономических наблюдений линии нейтрального водорода, обнаружил, что скорость вращения не уменьшается с расстоянием от центра, а остается практически постоянной. Эти «плоские» кривые вращения явно противоречили ожиданиям, основанным на законах Ньютона и на распределении видимой материи в галактиках.NGC 300Автор: ESO.
http://www.eso.org/public/images/eso1037a/, CC BY 4.0Источник:commons.wikimedia.orgНезависимо от Фримана, американские астрономы Д. Рогстад и Г.
Шостак в 1972 году подтвердили его выводы, проанализировав кривые вращения пяти спиральных галактик.В 1973 году американский астроном Мортон Робертс вместе со своим коллегой Арнольдом Ротсом проанализировал кривые вращения галактик M31 (Андромеда), M81 и M101. Их результаты также указали на то, что скорость вращения остается постоянной на больших расстояниях от центра.Наконец, в 1978 году голландский астроном Альберт Босма опубликовал результаты своей диссертации, в которой он представил кривые вращения 25 галактик, полученные им из радиоастрономических наблюдений. Его работа убедительно доказала, что большинство спиральных галактик имеют «плоские» кривые вращения.Объяснить эти аномалии можно было только одним способом: признать, что галактики окутаны огромным гало из невидимой материи, масса которого значительно превышает массу всех видимых звезд и газа. Эта невидимая материя, простирающаяся далеко за пределы видимого диска галактики, гравитационно удерживает звезды на периферии, заставляя их вращаться с более высокой скоростью, чем следовало бы ожидать.Пример гало тёмной материи, полученного при N-body моделированииАвтор: http://en.wikipedia.org/wiki/User:Cosmo0.
English Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Dark_matter_halo.png, Общественное достояниеИсточник:commons.wikimedia.orgТемная материя в наших окрестностяхПлотность темной материи в окрестностях Солнца — важный параметр, который может дать информацию о её природе и важен для экспериментов по её поиску. Первые оценки этой величины были получены еще в начале XX века Якобусом Каптейном, Бертилом Линдбладом, Джеймсом Джинсом и Яном Оортом на основе анализа движения близлежащих звезд. В последующие десятилетия благодаря новым данным и усовершенствованным методам были получены более точные оценки локальной плотности темной материи.IV.
От нейтрино до WIMPs: поиск частиц темной материиК концу XX века стало понятно, что темная материя не может состоять из обычной барионной материи — протонов, нейтронов и электронов. Физики начали активно искать кандидатов на роль темной материи среди элементарных частиц.Первое разочарованиеНейтрино — неуловимые частицы, которые чрезвычайно слабо взаимодействуют с обычной материей.
Их существование было предсказано в 1930-х годах, а экспериментально обнаружено в 1950-х. Нейтрино не имеют электрического заряда, а их масса крайне мала — настолько, что её точное значение до сих пор не установлено.В середине 1960-х годов советский физик Яков Зельдович вместе со своим коллегой С.С.
Герштейном впервые обратили внимание на то, что нейтрино могут играть важную роль в космологии. Они рассчитали, что в ранней Вселенной должно было образоваться огромное количество нейтрино, которые сохранились до наших дней в виде реликтового фона.Если бы нейтрино обладали массой, то их вклад в общую плотность энергии Вселенной мог бы быть достаточным, чтобы объяснить наблюдаемые эффекты темной материи. Эта идея вызвала большой энтузиазм среди астрономов и физиков, которые начали активно изучать космологические последствия массивных нейтрино.Первое использование водородной пузырьковой камеры для регистрации нейтрино, 13 ноября 1970 года. Нейтрино столкнулось с протоном в атоме водорода.
Столкновение произошло в точке, где справа на фотографии исходят три следа.Автор: Argonne National Laboratory. Image courtesy of Argonne National Laboratory, Общественное достояниеИсточник:commons.wikimedia.orgОднако в 1980-е годы стало понятно, что эта красивая гипотеза не соответствует реальности. Компьютерное моделирование эволюции Вселенной продемонстрировало, что если бы темная материя состояла из обычных нейтрино, то распределение материи в космических масштабах сильно отличалось бы от наблюдаемого.Стандартные нейтрино слишком «горячи» — то есть движутся со скоростями, близкими к скорости света.
Из-за своих свойств такие нейтрино не смогли бы достаточно эффективно концентрироваться в необходимых для зарождения галактик и скоплений галактик областях пространства. Горячая темная материя приводила бы к формированию сначала очень крупных структур (сверхскоплений галактик), которые затем должны были бы фрагментироваться на более мелкие структуры (галактики). Наблюдения же показывают, что в реальности формирование структуры происходило «снизу вверх» — сначала возникали мелкие структуры, которые затем объединялись в более крупные.В итоге, предположение о том, что обычные нейтрино являются основой темной материи, пришлось отбросить. Это стало первым серьёзным разочарованием в поисках частиц темной материи.
Однако этот негативный результат не поставил крест на идее о том, что темная материя может состоять из некоторых других, пока неизвестных частиц.Поиск темной материи в зазеркальеСуперсимметрия — это элегантная теоретическая концепция, которая уже несколько десятилетий привлекает внимание физиков. Она предсказывает существование для каждой известной элементарной частицы её суперпартнёра, который отличается от неё спином — квантовым числом, характеризующим вращение частицы. Если суперсимметрия реализуется в природе, то это должно привести к существованию целого спектра новых частиц, которые пока не обнаружены экспериментально.И хотя прямых экспериментальных подтверждений суперсимметрии пока нет, у этой теории есть ряд привлекательных черт. Во-первых, она может объяснить, почему масса бозона Хиггса — частицы, ответственной за наличие массы у других элементарных частиц, — не настолько велика, как можно было бы ожидать.
Во-вторых, она может объединить три фундаментальных взаимодействия — электромагнитное, слабое и сильное — в рамках единой теории.И в-третьих, что особенно важно для нас, суперсимметрия предсказывает существование частиц, которые могут быть долгоживущими, не иметь электрического заряда и чрезвычайно слабо взаимодействовать с обычной материей — то есть обладать всеми характеристиками, необходимыми для того, чтобы быть частицами темной материи.Среди всех суперсимметричных частиц наиболее вероятным претендентом на роль частицы темной материи считается нейтралино. Нейтралино — это смесь суперпартнёров фотона, Z-бозона и бозонов Хиггса. Если нейтралино действительно существует, то они должны были образоваться в большом количестве в ранней Вселенной и сохраниться до наших дней, образуя гало темной материи вокруг галактик.Поиск нейтралино и других суперсимметричных частиц ведется как на ускорителях, таких как Большой адронный коллайдер (БАК), так и в экспериментах по прямому и косвенному обнаружению темной материи.Частицы-призракиАксионы — это гипотетические частицы, которые были предложены физиками для решения одной конкретной проблемы в квантовой хромодинамике — теории, описывающей сильное взаимодействие, связывающее кварки внутри протонов и нейтронов.Хотя аксионы и были введены для решения этой проблемы, оказалось, что они также обладают свойствами, которые делают их интересными кандидатами на роль частиц темной материи.Согласно теоретическим моделям, аксионы должны быть чрезвычайно лёгкими и очень слабо взаимодействовать с обычной материей — настолько слабо, что их практически невозможно обнаружить в обычных экспериментах.
Их взаимодействие с веществом настолько слабое, что их можно назвать «частицами-призраками».Несмотря на то, что аксионы крайне сложно обнаружить, теоретически они могли появиться в огромных количествах на заре Вселенной и существовать до сих пор. Если это так, то они могли бы составлять значительную часть темной материи.Главный кандидат на сегодняшний деньК концу 1980-х годов в астрофизике и космологии утвердилась идея, что основу темной материи составляют некие пока не открытые слабо взаимодействующие массивные частицы, получившие название WIMPs. Предполагается, что WIMPs могли возникнуть в ранней Вселенной и обладать теми свойствами, которые необходимы для объяснения эффектов, связываемых с темной материей.V. Неудачные попытки реабилитации барионной темной материиНевзирая на доминирование парадигмы WIMPs, астрономы не оставили попыток найти темную материю среди обычных, барионных объектов.В поисках темных объектовГравитационное микролинзирование — эффект, возникающий, когда массивный объект (звезда, планета, черная дыра) проходит между нами и удаленной звездой, усиливая её яркость.
Наблюдения микролинзирования могут быть использованы для поиска MACHOs — массивных астрофизических компактных объектов гало, которые могли бы составлять темную материю.На этом изображении показано скопление галактик Abell 1689 с наложенным на него распределением массы темной материи в гравитационной линзе (фиолетовым цветом). Масса в этой линзе состоит частично из нормальной (барионной) материи и частично из темной материи.
Искаженные галактики хорошо видны по краям гравитационной линзы. Внешний вид этих искаженных галактик зависит от распределения вещества в линзе и от относительной геометрии линзы и далеких галактик, а также от влияния темной энергии на геометрию Вселенной.Автор: By NASA, ESA, E.
Jullo (JPL/LAM), P. Natarajan (Yale) and J-P. Kneib (LAM). — http://www.spacetelescope.org/images/heic1014a/, CC BY 3.0Источник:commons.wikimedia.orgВ 1990-х годах были проведены крупномасштабные эксперименты по поиску микролинзирования в направлении на Магеллановы Облака — ближайшие к нам галактики-спутники.
Эти эксперименты обнаружили некоторое количество событий микролинзирования, но их число оказалось значительно меньше, чем следовало бы ожидать, если бы темная материя состояла из MACHOs.Большое и Малое Магеллановы Облака, вид из Паранальской обсерваторииАвтор: ESO/J. Colosimo.
http://www.eso.org/public/images/potw1511a/, CC BY 4.0Источник:commons.wikimedia.orgЖесткие ограниченияНаблюдения первичного изотопного состава легких элементов и флуктуаций температуры реликтового излучения позволяют оценить общую массу барионной материи во Вселенной. Согласно этим оценкам, доля барионной материи во Вселенной невелика и недостаточна, чтобы объяснить те явления, которые приписываются темной материи.Первичных черных дыр не так много, как хотелось быПервичные черные дыры, образующиеся в ранней Вселенной, также рассматривались как возможный кандидат на роль темной материи.
Однако существуют строгие ограничения на их количество, полученные из наблюдений гамма-излучения и микролинзирования.VI. Альтернативный путь — модифицированная гравитацияВ качестве альтернативы темной материи была предложена гипотеза о модифицированной гравитации (MOND), согласно которой законы гравитации изменяются на больших расстояниях.В поисках реалистичной теории MONDПервые формулировки MOND, предложенные израильским физиком Мордехаем Милгромом в начале 1980-х годов, были феноменологическими и не имели под собой глубокой теоретической основы.
Они также сталкивались с рядом проблем, например, с нарушением законов сохранения энергии и импульса.В последующие годы были предприняты попытки построить более реалистичные теории MOND, которые бы были совместимы с общей теорией относительности и не приводили бы к нарушению фундаментальных законов физики. Наиболее известной реализацией MOND является теория TeVeS (Tensor-Vector-Scalar gravity), разработанная израильским физиком Яковом Бекенштейном в 2004 году.Успехи и неудачиТеория модифицированной гравитации — добилась определённых успехов в объяснении некоторых астрономических наблюдений, которые традиционно связываются с темной материей. Например, она довольно точно описывает кривые вращения многих спиральных галактик — то есть зависимость скорости вращения звезд и газа от расстояния до центра галактики.
MOND также предсказывает эмпирическое соотношение Талли-Фишера, связывающее светимость спиральной галактики с её максимальной скоростью вращения, которое хорошо согласуется с наблюдениями.Однако у MOND есть и проблемы. Она сталкивается с трудностями при объяснении динамики скоплений галактик — крупномасштабных структур, состоящих из сотен или даже тысяч галактик. Также MOND не может полностью удовлетворительно объяснить эффекты гравитационного линзирования — искривления лучей света в гравитационном поле массивных объектов.Одним из самых серьёзных вызовов для MOND стали наблюдения так называемого «скопления Пуля».
В этом случае мы видим два скопления галактик, проходящих сквозь друг друга. При этом горячий газ, который можно наблюдать в рентгеновском диапазоне, распределен не так, как основная масса, выявленная по эффекту гравитационного линзирования. Эти наблюдения сложно объяснить в рамках MOND, но они естественным образом объясняются, если предположить, что в скоплении присутствует темная материя.Рентгеновское изображение (розовый), наложенное на изображение в видимом свете (галактики), с распределением вещества, рассчитанным по гравитационному линзированию (синий)Автор: By NASA/CXC/M.
Weiss — Chandra X-Ray Observatory: 1E 0657-56, Public DomainИсточник:commons.wikimedia.orgVII. Темная материя в контексте космологииНачиная с 1960-х годов, астрономы начали осознавать, что проблема «недостающей массы» проявляется на всех масштабах. Итальянский физик Арриго Финци в 1963 году проанализировал различные наблюдательные данные, свидетельствующие о наличии темной материи, и решил, что для объяснения этих данных требуется пересмотр либо наших представлений о природе материи, либо наших представлений о законах гравитации.В 1974 году две группы астрономов — эстонская группа под руководством Яана Эйнасто и американская группа под руководством Джерри Острайкера — независимо друг от друга опубликовали исследования, представив убедительные доказательства в пользу того, что в галактиках существует большое количество невидимой материи.Проблема плоской ВселеннойВ 1980-х годах развитие космологии как науки привело к «теоретическому императиву» плоской Вселенной — то есть Вселенной с нулевой пространственной кривизной. Эта идея основывалась на теории инфляции — экспоненциального расширения Вселенной в первые мгновения после Большого Взрыва, которая естественным образом объясняла наблюдаемую однородность и изотропность Вселенной.Торжество холодной темной материиЧисленное моделирование формирования структуры Вселенной — это мощный инструмент в руках космологов.
С помощью компьютерных симуляций они могут проследить эволюцию Вселенной от ранних этапов её развития до наших дней, учитывая различные физические процессы и параметры космологических моделей.В 1980-х годах, благодаря развитию вычислительной техники, стало возможным проводить такое моделирование с достаточной точностью, чтобы делать значимые выводы о природе темной материи.Эти симуляции показали, что модель холодной темной материи (CDM) — то есть модель, в которой темная материя состоит из частиц, движущихся с относительно небольшими скоростями, — наиболее успешно воспроизводит наблюдаемую крупномасштабную структуру Вселенной: распределение галактик, скоплений галактик и «космической паутины» — сети филаментов и пустот, пронизывающей всю Вселенную.Галактические нити, стенки и пустоты образуют паутинистые структуры. Компьютерное моделирование.Автор: By Andrew Pontzen and Fabio Governato — Andrew Pontzen and Hiranya Peiris, [http://www.ucl.ac.uk/mathematical-physical-sciences/news-events/maps-news-publication/maps1423Illuminating illumination: what lights up the universe?], UCLA press release, 27 August 2014. flickr.com (high resolution version), CC BY 2.0Источник:commons.wikimedia.orgCDM также хорошо согласуется с наблюдениями реликтового излучения — электромагнитного излучения, оставшегося со времен Большого Взрыва.Успех CDM в объяснении этих наблюдений сделал её стандартной космологической моделью, которая лежит в основе современного понимания эволюции Вселенной.VIII.
От прямых поисков к косвенным сигналам: частицы темной материиС утверждением CDM как стандартной парадигмы началась эпоха интенсивных поисков частиц темной материи.В глубинах землиПрямые поиски основаны на регистрации ядер отдачи при рассеянии частиц темной материи на ядрах вещества детектора. Для этого используются специальные детекторы, расположенные глубоко под землей, чтобы защитить их от космического излучения.Поиск косвенных сигналовКосвенные поиски направлены на регистрацию продуктов аннигиляции или распада частиц темной материи — гамма-излучения, антиматерии, нейтрино. Такие сигналы могут исходить из регионов с высокой концентрацией темной материи, например центр нашей Галактики, галактики-спутники Млечного Пути, или разные скопления галактик.В погоне за частицей-призракомСпециальные эксперименты разработаны для поиска аксионов, которые, согласно теоретическим моделям, могут превращаться в фотоны в сильном магнитном поле. Эти эксперименты основаны на использовании резонансных полостей, настроенных на определенную частоту, соответствующую массе аксиона.Карта темной материи от Cosmic Evolution Survey (COSMOS) с использованием Hubble Space Telescope (2007)Автор: Авторство: NASA/ESA/Richard Massey (California Institute of Technology).
http://spacetelescope.org/images/heic0701b/Isosuface data can be found at http://www.roe.ac.uk/~rm/cosmos/, Общественное достояниеИсточник:commons.wikimedia.orgКогда же будет заключение? Темная материя и будущее космологииТемная материя — одна из самых интригующих загадок современной космологии.
Её открытие коренным образом изменило наши представления о Вселенной и поставило перед наукой новые фундаментальные вопросы.Мы знаем, что темная материя существует, знаем, что она не состоит из обычной барионной материи, и знаем, что она играет ключевую роль в формировании структуры Вселенной. Но мы до сих пор не знаем, из чего она состоит.Поиск ответа на этот вопрос — одна из главных задач современной физики и астрофизики. Ученые по всему миру продолжают разрабатывать новые методы и проводить все более чувствительные эксперименты, чтобы раскрыть тайну темной материи.От результата этих исследований зависит наше понимание не только устройства Вселенной, но и фундаментальных законов природы.
Возможно, открытие природы темной материи приведет к новой физической революции, которая преобразит наше мировоззрение.