Тёмная материя в астрономии и космологии — форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества делает невозможным её прямое наблюдение. Однако возможно обнаружить присутствие тёмной материи по создаваемым ею гравитационным эффектам.

Обнаружение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально быстрой скорости вращения внешних областей галактик.

Данные наблюдений

Известно, что тёмное вещество взаимодействует со «светящимся» (барионным), по крайней мере, гравитационным образом и представляет собой среду со средней космологической плотностью, в несколько раз превышающей плотность барионов. Последние захватываются в гравитационные ямы концентраций тёмной материи. Поэтому, хотя частицы тёмной материи и не взаимодействуют со светом, свет испускается оттуда, где есть тёмное вещество. Это замечательное свойство гравитационной неустойчивости сделало возможным изучение количества, состояния и распределения тёмной материи по наблюдательным данным от радиодиапазона до рентгеновского излучения.^[1]

Непосредственное изучение распределения тёмной материи в скоплениях галактик стало возможным после получения их высокодетализированных изображений в 1990-х годах. При этом изображения более удалённых галактик, проецирующихся на скопление, оказываются искажёнными или даже расщепляются из-за эффекта гравитационного линзирования. По характеру этих искажений становится возможным восстановить распределение и величину массы внутри скопления независимо от наблюдений галактик самого скопления. Таким образом, прямым методом подтверждается наличие скрытой массы и тёмной материи в галактических скоплениях.^[2]

Опубликованное в 2012 году исследование движения более 400 звёзд, расположенных на расстояниях до 13 000 световых лет от Солнца, не нашло свидетельств присутствия тёмной материи в большом объёме пространства вокруг Солнца. Согласно предсказаниям теорий, среднее количество тёмной материи в окрестности Солнца должно было составить примерно 0,5 кг в объёме земного шара. Однако измерения дали значение 0,00±0,06 кг тёмной материи в этом объёме. Это означает, что попытки зарегистрировать тёмную материю на Земле, например, при редких взаимодействиях частиц темной материи с «обычной» материей, вряд ли могут быть успешными^[3][4][5].

Кандидаты на роль темной материи

Барионная тёмная материя

Наиболее естественным кажется предположение, что тёмная материя состоит из обычного, барионного вещества, по каким-либо причинам слабо взаимодействующего электромагнитным образом и потому необнаружимого при исследовании, к примеру, линий излучения и поглощения. В состав тёмного вещества могут входить многие уже обнаруженные космические объекты, как то: тёмные галактические гало, коричневые карлики и массивные планеты, компактные объекты на конечных стадиях эволюции: белые карлики, нейтронные звёзды, чёрные дыры. Кроме того, такие гипотетические объекты, как кварковые звёзды, Q-звёзды и преонные звёзды также могут являться частью барионной тёмной материи.

Проблемы такого подхода проявляются в космологии Большого взрыва: если вся тёмная материя представлена барионами, то соотношение концентраций лёгких элементов после первичного нуклеосинтеза, наблюдаемое в самых старых астрономических объектах, должно быть другим, резко отличающимся от наблюдаемого. Кроме того, эксперименты по поиску гравитационного линзирования света звёзд нашей Галактики показывают, что достаточной концентрации крупных гравитирующих объектов типа планет или чёрных дыр для объяснения массы гало нашей Галактики не наблюдается, а мелкие объекты достаточной концентрации должны слишком сильно поглощать свет звёзд.

Небарионная тёмная материя

Теоретические модели предоставляют большой выбор возможных кандидатов на роль небарионной невидимой материи. Перечислим некоторые из них.

Лёгкие нейтрино

В отличие от остальных кандидатов, нейтрино обладают явным преимуществом: известно, что они существуют. Поскольку число нейтрино во Вселенной сравнимо с числом фотонов, то, обладая даже малой массой, нейтрино вполне могут определять динамику Вселенной. Для достижения , где - так называемая критическая плотность , необходимы нейтринные массы порядка эВ, где обозначает число типов легких нейтрино. Эксперименты, проводимые на сегодняшний день, дают оценку масс нейтрино порядка эВ. Таким образом, лёгкие нейтрино практически исключаются в качестве кандидата на доминирующую фракцию тёмной материи.

Тяжёлые нейтрино

Из данных о ширине распада Z-бозона следует, что число поколений слабо взаимодействующих частиц (в том числе нейтрино) равно 3. Таким образом, тяжёлые нейтрино (по крайней мере, с массой менее 45 ГэВ) с необходимостью являются т. н. «стерильными», то есть не взаимодействующими слабым образом частицами. Теоретические модели предсказывают массу в очень широком диапазоне значений (в зависимости от природы этого нейтрино). Из феноменологии для следует диапазон масс приблизительно эВ, таким образом, стерильные нейтрино вполне могут составлять существенную часть тёмной материи.

Суперсимметричные частицы

В рамках суперсимметричных (SUSY) теорий существует по меньшей мере одна стабильная частица, которая является новым кандидатом на роль тёмной материи. Предполагается, что эта частица (LSP) не принимает участия в электромагнитном и сильном взаимодействиях. В качестве LSP-частицы могут выступать фотино, гравитино, хиггсино (суперпартнеры фотона, гравитона и бозона Хиггса соответственно), а также снейтрино, вино, и зино. В большинстве теорий LSP-частица представляет собой комбинацию перечисленных выше SUSY-частиц с массой порядка 10 ГэВ.

Космионы

Космионы были введены в физику для разрешения проблемы солнечных нейтрино, состоящей в существенном отличии потока нейтрино, детектируемых на Земле, от значения, предсказываемого стандартной моделью Солнца. Однако эта проблема нашла разрешение в рамках теории нейтринных осцилляций и эффекта Михеева — Смирнова — Вольфенштейна, так что космионы, по всей видимости, исключаются из претендентов на роль тёмной материи.

Топологические дефекты пространства-времени

Согласно современным космологическим представлениям энергия вакуума определяется неким локально однородным и изотропным скалярным полем. Это поле необходимо для описания так называемых фазовых переходов вакуума при расширении Вселенной, во время которых происходило последовательное нарушение симметрии, приводящее к разъединению фундаментальных взаимодействий. Фазовый переход — это скачок энергии вакуумного поля, стремящегося к своему основному состоянию (состоянию с минимальной энергией при данной температуре). Различные области пространства могли испытывать такой переход независимо, в результате чего образовывались области с определенной «выстроенностью» скалярного поля, которые, расширяясь, могли войти в соприкосновение друг с другом. В точках встречи областей с различной ориентацией могли образоваться стабильные топологические дефекты различной конфигурации: точечно-подобные частицы (в частности, магнитные монополи), линейные протяжённые объекты (космические струны), двумерные мембраны (доменные стенки), трехмерные дефекты (текстуры). Все эти объекты обладают, как правило, колоссальной массой и могли бы давать доминирующий вклад в тёмную материю. На текущий момент (2012 год) подобные объекты во Вселенной не обнаружены.

Классификация тёмной материи

В зависимости от скоростей частиц, из которых, предположительно, состоит тёмная материя, её можно разделить на несколько классов.

Горячая тёмная материя

Состоит из частиц, движущихся со скоростью, близкой к световой — вероятно, из нейтрино. Эти частицы имеют очень маленькую массу, но всё же не нулевую, и учитывая огромное количество нейтрино во Вселенной (300 частиц на 1 см³), это даёт огромную массу. В некоторых моделях на нейтрино приходится 10 % тёмной материи.

Эта материя из-за своей огромной скорости не может образовывать стабильные структуры, но может влиять на обычное вещество и другие виды тёмной материи.

Тёплая тёмная материя

Материю, движущуюся с релятивистскими скоростями, но ниже, чем у горячей тёмной материи, называют «тёплой». Скорости её частиц могут лежать в пределах от 0,1c до 0,95c. Некоторые данные, в частности, температурные колебания фонового микроволнового излучения, дают основания полагать, что такая форма материи может существовать.

Пока нет никаких кандидатов на роль составляющих тёплой тёмной материи, но возможно, стерильные нейтрино, которые должны двигаться медленнее обычных трёх ароматов нейтрино, могут стать одним из них.

Холодная тёмная материя

Тёмную материю, которая движется при классических скоростях, называют «холодной». Этот вид материи представляет наибольший интерес, так как, в отличие от тёплой и горячей тёмной материи, холодная может образовывать стабильные формирования, и даже целые тёмные галактики.

Пока частицы, подходящие на роль составных частей холодной тёмной материи, не обнаружены. В качестве кандидатов на роль холодной тёмной материи выступают слабо взаимодействующие массивные частицы — вимпы, такие как аксионы и суперсимметричные партнёры-фермионы лёгких бозонов — фотино, гравитино и другие.

Смешанная тёмная материя

До предложения теории тёмной энергии была разработана перспективная модель тёмной материи, состоящей из холодной и горячей материи в определённых пропорциях.

Обнаружение

Основная трудность при поиске частиц тёмной материи заключается в том, что все они электрически нейтральны. Имеются два варианта поиска: прямое и косвенное. При прямом поиске изучаются следствия взаимодействия этих частиц с электронами или атомными ядрами с помощью наземной аппаратуры. Косвенные методы основаны на попытках обнаружения потоков вторичных частиц, которые возникают, например, благодаря аннигиляции солнечной или галактической тёмной материи.

Эксперимент EDELWEISS направлен на прямое обнаружение частиц WIMP. В качестве мишени служат полупроводниковые детекторы, охлаждённые до температуры в несколько мК.

Альтернативные теории

Сущность тёмной материи и методы её исследования

Представляя в своём воображении строение галактики мы неоднократно мысленно рисуем многочисленные спирали из звёзд, вращающихся в космосе. При помощи мощного телескопа можно рассмотреть как отдельные звёзды, которые составляют спиральные галактики, поскольку они излучают достаточное количество света, а так же тёмные области, располагающиеся внутри галактики, именуемые ”Облаками межзвёздной пыли и газа”, испускающие и поглощающие свет. В ходе изучения космического пространства учёным в течении двадцатого столетия ушедшего века учёными объективно установлено, что в видимых галактиках имеется не более десяти процентов от материи, содержащейся во Вселенной, при этом 90 процентов материи является так называемая тёмная материя. Данная материя почти не изучена и остаётся для нас тайной , наблюдать её обычным способом невозможно . В 1933 году астроном Фриц Цвики установил, что скопление галактик в созвездии Волосы Вероники удерживается сильнейшим гравитационным полем , исходя из расчётов массы видимого вещества это наглядно видно. В современной астрофизике проблема исследования скрытой массы делиться на две подпроблемы :

1. Астрофизическая проблема, которая квалифицируется расхождением между наблюдаемой массой космических объектов, гравитационно связанных между собой, с наблюдаемыми параметрами, определяющихся эффектами гравитации.

2. Космологическая проблема, которая квалифицируется различием наблюдаемых космологических параметров средней плотности Вселенной.

Тёмная материя, как и обычное вещество, способна собраться в сгустки, величиной с галактику и участвовать в гравитационных взаимодействиях . Предполагается, что тёмная материя состоит из не открытых в земных условиях частиц , а способом измерения гравитационного поля в галактиках или их скоплениях является гравитационное линзирование. А теперь попробуем разобраться, что же это такое… Скопление имеет гравитационное поле, которое искривляет свет, исходящий от галактики, расположенной за скоплением, гравитационное поле воздействует аналогично линзе, а искривление световых лучей зависит от распределения массы в скоплении независимо от того, из каких частиц создано указанную массу. В результате подобных измерений установлено, что тёмная материя вкладывает около 25% в полную плотность всей содержащейся энергии во Вселенной. Такие же данные получаются, если теорию образования структур сравнить с наблюдениями. При отдалении от центра галактики скорости обращения не уменьшаются, из чего следует, что вдали от светящейся части располагается несветящаяся тёмная материя. Из измерений гравитационного поля видно, что она имеется и в галактиках, при этом чем гравитационное поле сильнее, тем быстрее вращаются газо – пылевые облака и звёзды вокруг галактики и в зависимости от расстояния до центра галактики, измерения скоростей движения даёт нам возможность восстановления массы в ней. При отдалении от центра галактики скорость обращения не уменьшается , т.е. в галактике имеется тёмная материя , при чём в нашей галактике и окрестностях Солнца примерная масса тёмной материи приблизительно сопоставима массе обычного вещества.

А сейчас разберёмся в природе частиц тёмной материи.

Частицы не могут распадаться на более лёгкие , в противном случае за время существования Вселенной они бы распались, указанный факт подтверждает, что в природе существует закон сохранения, доселе не открытый, запрещающий распадаться частицам тёмной энергии на составляющие. Частицы слабо взаимодействуют с нашим веществом, в противном случае они бы попали под эксперименты учёных. Наиболее правдоподобной гипотеза гласит, что частицы тёмной материи в сто – тысячу раз тяжелее протона , взаимодействие частиц тёмной материи с обычным веществом сравнимо с взаимодействием нейтрино. Рассматривая гипотезу плотность тёмной материи интенсивно рождалась во Вселенной на ранней стадии при сверхвысоких температурах, часть указанных частиц дожила до наших дней. Возможна – ли вероятность в ближайшем будущем открытия частиц тёмной материи ? Перспектива конечно же рассматривается довольно оптимистичной, поскольку имеется несколько путей поиска данных частиц, которыми занимается современная наука, начиная от использования ускорения частиц в коллайдерах и заканчивая опыты со столкновениями частиц тёмной энергии с атомными ядрами. Какой именно из перечисленных или других путей приведёт к открытию указанных частиц покажет будущее, которое станет наиболее значимым достижением, т.к. оно расскажет о свойствах Вселенной .

В массовой культуре

• В серии игр Mass Effect тёмная материя и тёмная энергия в форме так называемого «Нулевого элемента» необходимы для движения со сверхсветовыми скоростями. Некоторые люди, биотики, используя тёмную энергию, могут контролировать поля эффекта массы.
• В мультсериале «Футурама» тёмная материя используется в качестве топлива для космического корабля компании «Межпланетный экспресс». Появляется материя на свет в виде испражнений инопланетной расы «зубастильонцы» и по весу крайне тяжела.

См. также

• Тёмная энергия
• Скрытая масса
• Тёмная звезда

Примечания