Невидимый цемент Вселенной

Астрофизик Андрей Дорошкевич рассказал N + 1 о важности темной материи

NASA

Темная материя не излучает и не поглощает свет, практически не взаимодействует с «обычной» материей, ученым пока не удалось поймать ни одной «темной» частицы. Но без нее не могла бы существовать знакомая нам Вселенная, да и мы сами. В День темной материи, который отмечается 31 октября (физики решили, что канун Хеллоуина — как раз подходящее время, чтобы устроить праздник в честь темной и неуловимой субстанции), N + 1 расспросил заведующего отделом теоретической астрофизики Астрокосмического центра ФИАН Андрея Дорошкевича о том, что такое темная материя и почему она так важна.

N + 1: Насколько ученые уверены сегодня, что темная материя действительно существует?

Андрей Дорошкевич: Главное свидетельство — это наблюдения флуктуаций реликтового излучения, то есть результаты, которые за последние 15 лет получили космические аппараты WMAP и «Планк».

Они с высокой точностью измеряли возмущение температуры космического микроволнового фона, то есть реликтового излучения. Эти возмущения сохранились с эпохи рекомбинации, когда ионизованный водород превратился в нейтральные атомы.

Эти измерения показали присутствие флуктуаций, очень небольших, примерно в одну десятитысячную кельвина. Но когда они стали сравнивать эти данные с теоретическими моделями, то обнаружили важные отличия, которые нельзя объяснить никак иначе, кроме как присутствием темной материи. Благодаря этому они с точностью до процентов смогли посчитать доли темной и обычной материи во Вселенной.


Ученые предпринимали множество попыток избавиться от невидимой и неощущаемой темной материи, создавались теории модифицированной гравитации, например MOND, которые пытаются объяснить наблюдаемые эффекты. Почему модели с темной материей предпочтительнее?

Ситуация очень простая: современная эйнштейновская теория гравитации хорошо выполняется на земных масштабах, спутники летают в строгом соответствии с этой теорией. И она очень хорошо выполняется на космологических масштабах. А все современные модели, которые изменяют гравитацию, не могут объяснить все. Они вносят новые постоянные в закон Ньютона, что позволяет объяснить эффекты присутствия темной материи на уровне галактик, но промахиваются на космологическом масштабе.

А может ли тут помочь открытие гравитационных волн? Может быть, оно поможет отбросить какие-то из теорий?

То, что сейчас измерили гравитационные волны — это громадный технический, а не научный успех. То, что они существуют, было известно 40 лет назад, когда было обнаружено (косвенно) гравитационное излучение от двойного пульсара. Наблюдения гравитационных волн еще раз подтвердили существование черных дыр, хотя мы в этом и раньше не сомневались, но теперь у нас тут есть более или менее прямое свидетельство.

Форма эффекта, изменения гравитационных волн в зависимости от мощности, могут нам дать очень полезную информацию, но нужно ждать еще лет пять-десять, пока у нас накопится достаточно данных для уточнения теорий гравитации.

Как ученые узнали о темной материи

История темной материи началась в 1933 году, когда астроном Фриц Цвикки исследовал распределение скоростей галактик в скоплении, расположенном в созвездии Волосы Вероники. Он обнаружил, что галактики в скоплении двигаются слишком быстро, и если принимать во внимание только видимое вещество, скопление не могло бы быть стабильным — галактики просто разбросало бы в разные стороны.

В статье, опубликованной 16 февраля 1933 года, Цвикки предположил, что их удерживает вместе невидимое тяготеющее вещество — Dunkle Materie.

Чуть позже несоответствие между «видимой» массой галактик и параметрами их движения подтвердили и другие астрономы.

В 1958 году советский астрофизик Виктор Амбарцумян предложил свое решение парадокса Цвикки. По его мнению, скопления галактик не содержат никакой невидимой материи, которая бы удерживала их гравитационно. Мы просто наблюдаем скопления в процессе распада. Однако большинство астрономов не приняло это объяснение, поскольку в этом случае срок жизни скоплений составлял бы не более одного миллиарда лет, а учитывая, что срок существования Вселенной в десять раз больше, к сегодняшнему дню скоплений просто бы не осталось.

Общепринятые представления о темной материи гласят, что она состоит из вимпов (WIMP), массивных частиц, почти не взаимодействующих с частицами обычной материи. Что можно сказать об их свойствах?

У них достаточно большая масса — и это почти все, даже точную массу мы назвать не можем. Они без столкновений пробегают большие расстояния, но возмущения плотности в них не затухают даже на сравнительно малых масштабах — и это единственное, что нам нужно сегодня для моделей.

Реликтовое излучение дает нам характеристики темной материи для больших масштабов, для масштабов скоплений галактик. Но чтобы «спуститься» на масштабы малых галактик, мы вынуждены пользоваться теоретическими моделями.

Само существование небольших галактик говорит о том, что даже в относительно небольших масштабах существовали неоднородности, возникшие вскоре после Большого взрыва. Такие неоднородности могут затухать, разглаживаться, но мы знаем точно, что они не затухли в масштабах маленьких галактик. Это говорит о том, что эти частицы темной материи должны обладать такими свойствами, чтобы эти возмущения сохранились.

Правильно ли говорить, что звезды могли возникать только благодаря темной материи?

Не совсем. Без темной материи не могли возникнуть галактики, а звезды не могут формироваться вне галактик. В отличие от темной материи, барионы всегда горячие, они взаимодействуют с реликтовым излучением. Поэтому самостоятельно они не могут собираться в звезды, гравитация барионов звездной массы не может преодолеть их давление.

Частицы темной материи действуют как невидимый цемент, который стягивает барионы в галактики, а затем уже в них начинается процесс образования звезд. Темной материи в шесть раз больше, чем барионов, она «руководит», а барионы только за ней тянутся.

А много ли темной материи вокруг нас?

Она есть везде, вопрос только в том, сколько ее. Считается, что в нашей Галактике масса темной материи — несколько менее 10 процентов.

Но уже в окрестностях Галактики темной материи больше, мы можем видеть признаки присутствия ореола из темной материи вокруг как нашей, так и других звездных систем. Конечно, мы видим его благодаря барионам, мы их наблюдаем, и понимаем, что они «держатся» там только благодаря присутствию темной материи.

Как ученые ищут темную материю

С конца 80-х годов физики проводят эксперименты на установках глубоко под землей в попытках уловить столкновения отдельных частиц темной материи. За прошедшие 15 лет коллективная чувствительность этих экспериментов росла экспоненциально, удваиваясь в среднем каждый год. Две крупные коллаборации, XENON и PandaX-II, недавно запустили новые, еще более чувствительные детекторы.

Первая из них построила самый большой в мире детектор темной материи XENON1T. В нем используется 2000-килограммовая мишень из жидкого ксенона, помещенная в бак с водой высотой 10 метров. Все это находится под землей на глубине в 1,4 километра в Национальной лаборатории Гран-Сассо (Италия). Установка PandaX-II погребена на глубине 2,4 километра в китайской провинции Сычуань и содержит 584 килограмм жидкого ксенона.

Оба эксперимента используют ксенон, потому что он крайне инертен, а это помогает удерживать низкий уровень шума. Кроме того, ядра атомов ксенона относительно тяжелы (содержат в среднем 131 нуклон на ядро), что дает «бóльшую» мишень для частиц темной материи. Если одна из таких частиц столкнется с ядром атома ксенона, это породит слабую, но уловимую вспышку света (сцинтилляцию) и образование электрического заряда. Наблюдение даже небольшого числа таких событий может дать нам важные данные о природе темной материи.

Пока ни этим, ни каким либо другим экспериментам не удалось обнаружить частиц темной материи, но и это молчание может быть использовано для того, чтобы установить верхний предел вероятности столкновений частиц темной материи с частицами обычной.

Частицы темной материи могут образовывать скопления, как частицы обычной материи?

Могут, но весь вопрос в том, какой плотности. С точки зрения астрофизики и галактики — плотные объекты, их плотность составляет порядка одного протона на кубический сантиметр, и звезды — плотные объекты, с плотностью порядка грамма на кубический сантиметр. Но между ними 24 порядка разницы. Как правило, облака из темной материи имеют «галактическую» плотность.

Есть ли шансы у многочисленных ядерно-физических экспериментов по поиску частиц темной материи?

Они пытаются поймать взаимодействия отдельных частиц темной материи с атомами обычного вещества, как это делают с нейтрино. Но их поймать очень непросто, и не факт, что это вообще возможно.


Телескоп CAST (CERN Axion Solar Telescope) в ЦЕРНе ищет гипотетические частицы - аксионы, из которых может состоять темная материя.

Может быть, темная материя вообще состоит из так называемых «зеркальных» частиц, которые в принципе возможно наблюдать только по их гравитации. Гипотеза второй «зеркальной» Вселенной была предложена полвека назад, это своего рода удвоение реальности.

Реальные наблюдения у нас есть только из космологии.

Беседовал Сергей Кузнецов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.