Темная материя

Что такое темная материя? Остановимся подробнее на открытии, исследованиях и особенностях поиска темной материи. Разберемся в изменениях объема темной материи во Вселенной.

Модель распределения темной материи в локальной Вселенной.

Содержание

1. Кратко о темной материи
2. Открытие темной материи и изучение галактик
3. Гравитационная загадка
4. В поисках темной материи

Голубые области в скоплении галактик Пуля указывают на темную материю.

Кратко о темной материи

• Впервые оценена: 1932 год (Ян Оорт) и 1933 год (Фриц Цвикки)
• Открыта: Вера Рубин, начало 1970-х годов
• Как открыта: скорости вращения галактик
• Количество обычной материи в сегодняшней Вселенной: 5%
• Количество темной материи в сегодняшней Вселенной: 23%
• Количество темной энергии в сегодняшней Вселенной: 73%
• Типы темной материи: холодная, теплая и горячая
• Холодная темная материя: тела, двигающиеся с обычными скоростями
• Теплая темная материя: тела, двигающиеся с релятивистскими скоростями
• Горячая темная материя: тела, двигающиеся с околосветовыми скоростями
• Галактики, состоящие преимущественно из темной материи: VIRGOHI21

Открытие темной материи и изучение галактик

Одним из самых поразительных открытий конца XX века было то, что материя, из которой мы состоим, есть лишь малая часть всей материи. Мы вернемся к этому в разговоре о расширении Вселенной, а здесь остановимся на открытии темной материи, еще одного свидетельства нашей незначительности. Для этого нам надо знать, как вращаются галактики. Млечный Путь, например, похож на громадную фейерверочную ракету с периодом вращения в сотни миллионов лет, а Солнце совершает один полный оборот вокруг его центра примерно за 220 млн лет.

Один из способов изучения структуры галактик детальное исследование скоростей их вращения. Для этого астрономы строят так называемые кривые вращения галактик зависимости скоростей вращения звезд, составляющих галактику, от их расстояния до галактического центра.

Чтобы разобраться, что такое кривые вращения, представим себе карусель. Если стоять близко к оси вращения, скорость движения будет небольшой, но если начать двигаться по направлению к периферии, то кружение будет убыстряться по мере удаления от центра. Кривая вращения в этом случае будет устремлена вверх. На языке астрономов такой тип вращения называется твердотельным, так как он характеризует вращение любого твердого тела.

В центральных областях галактик типа Млечного Пути вы обнаружите нечто схожее. Звезды в густонаселенном центре галактики тесно связаны силами гравитации и вращаются все вместе как твердое тело. Но при движении к галактическому краю в некоторой точке твердотельное вращение заканчивается. Мы видим, что звезды движутся с одинаковыми скоростями, вне зависимости от того, как далеко они от центра. Они похожи на бегунов, которые должны оставаться на своей беговой дорожке. Те, кто дальше от центра, вынуждены проходить большие расстояния, а так как скорости бегунов одинаковы, то «внешние» бегуны начнут отставать. Вот почему спиральные рукава нашей Галактики изгибаются таким образом.

Что будет с кривой вращения галактики, если мы продолжим движение? Есть такой мысленный эксперимент: предлагается «удалиться» от галактики настолько, что эта светящаяся «вертушка» сократится до размеров маленькой, слабо светящейся точки. Галактика будет оказывать на вас гравитационное влияние, и вы будете находиться на орбите, пусть и сильно удаленной от центра. Примерно это происходит с планетами в Солнечной системе. Юпитер движется по своей орбите медленнее, чем Марс по своей, так же и вы можете ожидать, что по мере удаления от галактики скорость движения звезд и пылевых облаков будет уменьшаться. Такое вращение называется кеплеровским в честь Иоганна Кеплера (1571-1630), который открыл закон для планет Солнечной системы.

Гравитационная загадка

Строя кривые вращения для все более далеких от центра областей галактик, астрономы надеялись увидеть спад этих кривых. Но этого не происходило. В начале 1970-х годов Вера Рубин, тогда еще молодой астроном Института Карнеги в Вашингтоне, начала использовать передовые оптические инструменты для определения кривых вращения галактик. Она начала с близкой к нам галактики Андромеда и была поражена тем, что кривая вращения выходила на плато и так продолжалось столько, насколько хватало ее измерений. Звезды двигались с постоянными скоростями вне зависимости от того, как далеко они находились от галактического центра. Расширив область своих исследований, она стала строить кривые вращения для новых и новых галактик с тем же неизменным результатом. И в 1978 году астрономы поняли наконец, что их представления о вращении галактик ошибочны.

Ученые быстро сообразили, что единственная возможность объяснить наблюдаемые кривые вращения признать, что видимая часть галактик звезды и пылевые облака, которые и исследовались, была заключена в гигантскую сферу невидимой материи, влияние которой мы можем наблюдать. Для этого вещества быстро придумали термин «темная материя». Что бы это ни было, она не испускает и не поглощает свет или иные виды электромагнитного излучения, а также не вступает ни в какие другие виды взаимодействия, за исключением гравитационного. Это значит, что хотя мы и можем узнать о существовании этого вещества по гравитационному эффекту (который, в частности, проявляется в неожиданной форме кривых вращения), мы не можем наблюдать его непосредственно. Вычисления показали, что в случае галактик типа Млечного Пути более 90 % массы заключено в этой новой (и неожиданной) форме.

Как только идея о темной материи обрела популярность, стало очевидно ее присутствие и в других местах. Например, в звездных скоплениях, где каждая из звезд двигалась слишком быстро, чтобы находиться в гравитационном поле остальных звезд. Такое поведение можно объяснить некоторым избытком гравитации, что укладывается в рамки предположения о наличии темной материи. Как мы увидим далее, астрономы считают, что в форме темной материи заключено до 23% массы вещества во Вселенной. Например, светящаяся (видимая) материя, звезды лишь малая часть всего, не более 5 %.

Но если этого вещества так много вокруг, то что же оно собой представляет? Теоретики не медлили с гипотезами. Наиболее популярными кандидатами на роль пока еще не найденных объектов являются вимпы (WIMP, Weakly Interacting Massive Particle) - гипотетические, слабо взаимодействующие, массивные частицы. Гипотеза интересная. Но единственный способ наверняка узнать, что же на самом деле собой представляет темная материя, получить ее в лаборатории.

Вера Рубин

«Если вы занимаетесь оптической астрономией, вам не слишком-то приятно будет узнать, что Вселенная преимущественно темная».

 

Вера Рубин (1928-2016) была приятной и доброжелательной женщиной совсем не похожей на кого-то, кто может перевернуть мир астрономии вверх дном. Единственным, что выдавало область ее научных интересов, было шейное украшение, которое она надевала время от времени. Оно было составлено из камней, окрашенных в цвета спектра от красного до синего, и отчасти выдавало в ней астронома.

Любовь Рубин к ночному небу проснулась, когда ей было 10 лет. Тогда ее семья переехала в Вашингтон, округ Колумбия. Она вспоминала: «Из окна моей спальни я могла видеть северное небо. Думаю, тогда и началась моя любовь к астрономии». Она получила степень бакалавра в Вассарском колледже и продолжила обучение в Корнеллском университете. Работа над магистерской диссертацией привела ее к изучению галактик, что и стало впоследствии ее научной специализацией. Через три недели после того, как они с мужем отпраздновали рождение первенца, она представила тезисы своей работы по изучению движения других галактик на конференции в Хаверфорде, Пенсильвания. Вспоминая, она смеялась над заголовками местных газет на следующий день после доклада: «Молодая мать иллюстрирует суть Творения при помощи движения звезд».

 

Когда молодая семья Рубин вернулась в Вашингтон, она поступила в аспирантуру Джорджтаунского университета. Ее научным руководителем был известный физик Георгий Гамов. Они встретились в Институте Карнеги (Вашингтон). Рубин вспоминала: «Как только я впервые вошла в здание, я решила, что это то место, в котором я хочу быть». И она действительно поступила туда на работу в 1965 году.

 

Так как же она все-таки пришла к открытию темной материи? «Если вы занимаетесь оптической астрономией, вам не слишком-то приятно будет узнать, что Вселенная преимущественно темная, - сказала она, смеясь. А потом добавила более серьезным тоном: Я смотрела на небо всю мою жизнь, и я до сих пор на него смотрю».

В поисках темной материи

В настоящее время поиски темной материи идут по всему миру. Тот факт, что эта новая форма вещества присутствует повсюду в галактиках, означает, что частицы темной материи, чем бы они ни были, проходят сквозь нас, не оставляя никаких следов (вспомним, что они никак не взаимодействуют с обычными атомами). В действительности с тех пор, как Земля начала свое неизменное движение вокруг Солнца, должен был сформироваться «ветер из темной материи», обдувающий нас, как ветер на земле обдувает машину, которая движется через неподвижный воздух.

Трехмерная карта распределения темной материи во Вселенной. Чем глубже мы заглядываем в пространство, тем в более ранние эпохи существования Вселенной попадаем. Так мы можем оглянуться на миллиарды лет назад.

Попытки обнаружить темную материю это в том числе опыты по регистрации редких событий столкновений ветра из темной материи с одним-двумя атомами детекторов. Много процессов, особенно столкновений с космическими лучами, могут толкать атомы и маскировать очень слабые сигналы от темной материи. Поэтому детекторы, предназначенные для выявления темной материи, располагают глубоко под землей, в шахтах или тоннелях. Так расположенные над ними горы служат щитом от посторонних влияний. Наиболее чувствительный к темной материи эксперимент был осуществлен в золотоносной шахте под Черными холмами в Южной Дакоте в тех же штольнях, что ранее использовались для регистрации солнечных нейтрино. То, что раньше было подземным золотым рудником Хоумстейк, теперь известно как Сэндфорская подземная лаборатория (в честь Т. Дэнни Сэнфорда, который пожертвовал значительную сумму на ее создание). Ядром эксперимента является контейнер размером с телефонную будку, наполненный жидким ксеноном. Это так называемый детектор LUX (Large Undeground Xenon) - место, где, согласно предположению, частицы в ветре темной материи будут случайным образом взаимодействовать с атомами ксенона. Когда это произойдет, родится электрон и произойдет вспышка света. В результате серии сложных взаимодействий электрон в конечном итоге произведет вторую вспышку света. Сигналом о событии, связанном с темной материей, и будут эти две вспышки, произошедшие в особой последовательности.

Первые исследования, проведенные с 118 кг ксенона, закончились в 2013 году, не выявив никаких следов присутствия темной материи. Повторный эксперимент с 368 кг ксенона закончился в 2016 году с тем же исходом. Отрицательные результаты обоих вызывают вопросы, но не исключают возможности того, что темная материя состоит из вимпов. В настоящий момент теоретики заняты придумыванием новых экзотических кандидатов. Но лучшее, что мы можем сказать прямо сейчас: хотя мы и знаем, что темная материя существует, мы до сих пор не имеем представления о том, что бы это могло быть.