У 1930-х роках швейцарський астроном Фріц Цвіккі помітив, що галактики у віддаленому скупченні обертаються одна навколо одної набагато швидше, ніж мали б, враховуючи їхню видиму масу. Він припустив, що невидима субстанція, яку він назвав темною матерією, гравітаційно притягує ці галактики. Відтоді дослідники підтвердили, що цей загадковий матеріал можна знайти по всьому космосу, і що його в шість разів більше, ніж звичайної матерії, з якої складаються звичайні речі, такі як зірки та люди. Однак, незважаючи на те, що темна матерія зустрічається по всьому Всесвіту, вчені здебільшого все ще намагаються розгадати її таємницю. Ось 11 найважливіших питань про темну матерію – без відповідей.
1. Що таке темна матерія?
Перше і, мабуть, найбільш спантеличуюче, що дослідники досі не знають, що саме являє собою темна матерія. Спочатку деякі вчені припускали, що відсутня маса у Всесвіті складається з маленьких слабких зірок і чорних дір, хоча детальні спостереження не виявили достатньої кількості таких об’єктів, щоб пояснити вплив темної матерії, як раніше писав для Live Science фізик Дон Лінкольн з лабораторії Фермілаб Міністерства енергетики США. Наразі головним претендентом на мантію темної матерії є гіпотетична частинка під назвою “Масивна частинка зі слабкою взаємодією” (WIMP), яка поводилася б так само, як нейтрон, але була б у 10-100 разів важчою за протон, як писав Лінкольн. Проте, ця гіпотеза призвела лише до нових запитань.
2. Чи можемо ми виявити темну матерію?
Якщо темна матерія складається з вімпів, вони мають бути навколо нас, невидимі та ледь помітні. То чому ж ми досі їх не знайшли? Хоча вони не дуже взаємодіють зі звичайною матерією, завжди існує невелика ймовірність того, що частинка темної матерії може зіткнутися зі звичайною частинкою, наприклад, протоном або електроном, під час подорожі крізь космос. Тому дослідники проводили експерименти для вивчення величезної кількості звичайних частинок глибоко під землею, де вони захищені від заважаючого випромінювання, яке могло б імітувати зіткнення частинок темної матерії з частинками. У чому проблема? Після десятиліть пошуків жоден з цих детекторів не зробив достовірного відкриття. На початку цього року китайський експеримент PandaX повідомив про останнє невиявлення WIMP. Цілком ймовірно, що частинки темної матерії набагато менші за WIMP, або їм бракує властивостей, які б дозволили їх легко вивчати, – сказав
тоді фізик Хай-Бо Ю з Каліфорнійського університету в Ріверсайді в інтерв’ю Live Science.
3. Темна матерія складається з більш ніж однієї частинки?
Звичайна матерія складається зі звичайних частинок, таких як протони та електрони, а також цілого зоопарку більш екзотичних частинок, таких як нейтрино, мюони та піони. Тому дослідники задаються питанням, чи може темна матерія, яка становить 85 відсотків матерії у Всесвіті, бути такою ж складною. “Немає вагомих підстав вважати, що вся темна матерія у Всесвіті побудована з одного типу частинок”, – сказав фізик Андрій Кац з Гарвардського університету в інтерв’ю
Space.com. За словами Каца, темні протони можуть об’єднуватися з темними електронами, утворюючи темні атоми, створюючи конфігурації, настільки ж різноманітні і цікаві, як і ті, що існують у видимому світі. Хоча такі припущення все частіше з’являються у фізичних лабораторіях, вченим досі не вдавалося знайти спосіб підтвердити або спростувати їх.
4. Чи існують темні сили?
Поряд з додатковими частинками темної матерії існує ймовірність того, що темна матерія відчуває сили, аналогічні тим, які відчуває звичайна матерія. Деякі дослідники шукали “темні фотони”, які були б схожі на фотони, що ними обмінюються звичайні частинки і які породжують електромагнітну силу, за винятком того, що їх відчувають лише частинки темної матерії. Фізики в Італії готуються розбити пучок електронів та їхніх античастинок, відомих як позитрони, в алмаз, як раніше повідомляло видання Live Science. Якщо темні фотони дійсно існують, електрон-позитронні пари можуть анігілювати і створити одну з дивних частинок, що несуть силу, потенційно відкриваючи абсолютно новий сектор Всесвіту.
5. Чи може темна матерія складатися з аксіонів?
Оскільки фізики все більше втрачають любов до WIMPs, інші частинки темної матерії починають користуватися популярністю. Однією з провідних замін є гіпотетична частинка, відома як аксіон, яка була б надзвичайно легкою, можливо, у 10 разів меншою за масу протона, піднесеного до 31-го степеня. Нещодавні комп’ютерні симуляції показали, що аксіони можуть утворювати зоряні об’єкти, які можуть генерувати видиме випромінювання, дуже схоже на загадкові явища, відомі як швидкі радіосплески.
6. Які властивості темної матерії?
Астрономи відкрили темну матерію через її гравітаційну взаємодію зі звичайною матерією, припускаючи, що це її основний спосіб заявити про свою присутність у Всесвіті. Але, намагаючись зрозуміти справжню природу темної матерії, дослідники мають напрочуд мало, на що спиратися. Згідно з деякими теоріями, частинки темної матерії повинні бути власними античастинками, тобто дві частинки темної матерії анігілюють одна з одною при зустрічі. Експеримент “Альфа-магнітний спектрометр” (AMS) на Міжнародній космічній станції шукає ознаки такої анігіляції з 2011 року і вже виявив сотні тисяч подій.
7. Чи існує темна матерія в кожній галактиці?
Вважається, що темна матерія має значний гравітаційний вплив, формуючи галактики та галактичні скупчення завдяки своїй значній масі. Однак нещодавно астрономи відкрили особливу галактику NGC 1052-DF2, яка, як виявилось, містить мінімальну кількість темної матерії. Це відкриття кинуло виклик загальноприйнятій думці про те, що темна матерія є вирішальним компонентом у формуванні галактик. Пітер ван Доккум з Єльського університету заявив: “Темна
матерія може бути несуттєвою для формування галактик”. Однак влітку інша дослідницька група запропонувала альтернативний аналіз, припустивши, що команда ван Доккума неправильно оцінила відстань до галактики. Як наслідок, виявилося, що видима матерія галактики набагато слабша і менш масивна, ніж вважалося спочатку, що вказує на більшу присутність темної матерії, ніж передбачалося раніше.
8. Що з результатами DAMA/LIBRA?
Давньою загадкою у фізиці елементарних частинок є загадкові результати європейського експерименту, відомого як DAMA/LIBRA. Цей детектор, розташований у підземній шахті під горою Гран-Сассо в Італії, шукав періодичні коливання в частинках темної матерії. Ці коливання мають виникати, коли Земля рухається по своїй орбіті навколо Сонця, пролітаючи крізь галактичний потік темної матерії, що оточує нашу Сонячну систему, який іноді називають вітром темної матерії. З 1997 року DAMA/LIBRA стверджує, що бачить саме цей сигнал, хоча жоден інший експеримент не виявив нічого подібного.
9. Чи може темна матерія мати електричний заряд?
Сигнал з початку часів наштовхнув деяких фізиків на думку, що темна матерія може мати електричний заряд. Випромінювання з довжиною хвилі 21 сантиметр випускали зірки в дитинстві Всесвіту, всього через 180 мільйонів років після Великого вибуху. Потім його поглинув холодний водень, що існував у той час навколо. Коли це випромінювання було виявлено в лютому цього року, його сигнатура вказувала на те, що водень був набагато холоднішим, ніж передбачали вчені. Астрофізик Джуліан Муньос з Гарвардського університету висунув гіпотезу, що темна матерія з електричним зарядом могла відтягувати тепло від всепроникного водню, на кшталт кубиків льоду, що плавають у лимонаді. Але ця гіпотеза досі не підтверджена.
10. Чи можуть звичайні частинки розпадатися на темну матерію?
Нейтрони – це звичайні частинки матерії з обмеженим часом життя. Приблизно через 14,5 хвилин самотній нейтрон, відірваний від атома, розпадається на протон, електрон і нейтрино. Але дві різні експериментальні установки дають дещо різний час життя для цього розпаду, розбіжність між ними становить близько 9 секунд, згідно з експериментами, процитованими в липневому дослідженні в журналі Physical Review Letters. Раніше цього року фізики припустили, що якщо 1 відсоток часу деякі нейтрони розпадаються на частинки темної матерії, то можна пояснити цю аномалію. Крістофер Морріс з Лос-Аламоської національної лабораторії в Нью-Мексико та його команда відстежували нейтрони на наявність сигналу, який міг би бути темною матерією, але не змогли нічого виявити. Вони припустили, що інші сценарії розпаду все ще можуть бути можливими, згідно з дослідженням.
11. Чи існує темна матерія насправді?
Враховуючи труднощі, з якими зіткнулися вчені, намагаючись виявити і пояснити темну матерію, розсудливий читач може задатися питанням, чи не роблять вони все неправильно. Протягом багатьох років активна меншість фізиків просувала ідею про те, що, можливо, наші теорії гравітації просто неправильні, і що фундаментальна сила працює у великих масштабах інакше, ніж ми очікуємо. Ці припущення, часто відомі як “модифікована ньютонівська динаміка” або моделі
MOND, стверджують, що темної матерії не існує, а ультрашвидкі швидкості, з якими зірки і галактики обертаються одна навколо одної, є наслідком того, що гравітація поводиться дивовижним чином. “Темна матерія все ще залишається непідтвердженою моделлю”, – написав фізик Дон Лінкольн у пояснювальній статті для Live Science. Проте скептикам досі не вдалося переконати широку громадськість у правильності своїх ідей. А останні докази? Вони також свідчать про те, що темна матерія існує.
