29 Апреля 2018

Величайшая тайна космоса

Опубликовал Н.А. Рыков

     Я уверен, что выражение «темная материя» знакомо каждому из вас.  Однако очень немногие люди действительно понимают, что именно скрывается под этим, казалось бы, простым именем.  И я говорю не только о простых смертных.  Ученые также очень мало знают о том, что такое темная материя.  Сегодня в США и Европе миллиарды долларов расходуются на огромные машины и сложное оборудование, которые помогают нам узнать природу этого загадочного материала.  Итак, если мы не знаем, что такое темная материя, тогда как мы знаем, где ее найти?

      Это действительно странно и классно.  Во-первых, прежде чем мы даже начнем говорить об этом, необходимо, по крайней мере, понять, где мы узнаём об этой таинственной материи в первую очередь.  Я дам вам очень простое объяснение.  У нас есть спутник.  Он находится на орбите вокруг Земли.  Если мы значительно увеличим его скорость, то гравитация Земли больше не сможет удерживать его на орбите, и большой кусок техники вылетит в открытый космос.  Если нас интересуют цифры, максимальная скорость этой орбиты вокруг Земли составляет 11 километров в секунду.  Если бы наша планета была в сто раз тяжелее, то максимальная скорость была бы в десять раз быстрее.  Дело в том, что чем тяжелее объект, тем быстрее другие тела могут вращаться вокруг него.  Так астрономы измеряют массы далеких галактик и скоплений галактик.  Австро - американский астроном Фриц Цвикки изучал такое явление еще в 1930-х годах.  Исследование скоростей одиночных галактик в кластерах.  Он обнаружил, что в среднем они движутся примерно в 100 раз быстрее, чем ожидалось.  Кажется, там была какая-то дополнительная скрытая масса, кроме светящейся массы, которую мы могли видеть.  Это заставило галактики двигаться намного быстрее, чем они должны были.  Именно тогда он впервые ввел термин «темная материя» для обозначения этой странной и запутанной массы.  Наука о космосе действительно только начала появляться в 1930-х годах.  К сожалению, в связи с этим,  очень мало людей обратили внимание на это необъяснимое явление.  По их мнению, было мало последствий, которые могли бы быть там.

      Позднее в 1972 году астрономы Вера Рубин и Кент Форд более подробно рассмотрели скорости вращения звезд в галактике Андромеды.  Их результаты навсегда изменили наш взгляд на современную астрофизику.  Эти звезды в галактиках Андромеды вращались слишком быстро, чтобы это можно было объяснить.  Это означало, что по-прежнему существовала какая-то масса, помимо Звезд, которую мы по какой-то загадочной причине не могли видеть в галактике Андромеды.  И, судя по скорости вращения звезд, эта масса должна быть в несколько раз больше массы всех звезд в галактике в совокупности.  Позже выяснилось, что такая же ситуация была и во всех других галактиках, на которые мы смотрели.  Их массы были намного больше, чем массы их видимого светящегося материала, и быстро стало ясно, что здесь что-то не так.  Ученые начали исследовать и теоретизировать, пытаясь точно определить, что это за таинственная темная материя, которую я напоминаю, мы не можем видеть.  Но в то же время мы можем ощутить её массивный гравитационный эффект.

      В течение следующих 10 лет многие разные гипотетические кандидаты на роль темной материи были отброшены один за другим.  Был один вариант, что это может быть какой-то таинственный газ или пыль, который заполняет всё межзвездное пространство.  Но дело в том, что если бы в галактике было столько газа или пыли, мы бы это увидели.  Кроме того, газы и пыль создаются внутри галактик, и, как показывают наблюдения и расчеты, эта таинственная темная материя должна растягиваться на многие тысячи световых лет за пределами визуальных границ галактики, образуя своего рода ореол вокруг.  Возможно, эта загадочная темная материя могла быть просто  холодными трупами миллиардов или триллионов мертвых звезд и они настолько маленькие и слабые, что мы попросту их не видим.  Белые карлики, нейтронные звезды и, возможно, даже черные дыры.  Но эта гипотеза также была опровергнута наблюдениями.  Действительно, если бы эти объекты существовали в таких больших количествах, во много раз больше, чем сами звезды, то мы бы заметили их через явление, называемое микролинзированием.  Это когда космические объекты искажают свет от чего-то позади них.  Но на протяжении всего периода наблюдений было слишком мало таких событий, и это предложение также было исключено, и вопрос снова стал открытым. Казалось, что единственным оставшимся вариантом было предположить, что эта материя состояла из гораздо более экзотических частиц, чем наши обычные протоны и нейтроны.  Проблема в том, что если мы не можем видеть эти частицы, это означает, что они не должны взаимодействовать со светом каким-либо образом.  Они не могут его поглощать или излучать.

      Набор уже известных нам частиц нейтрино, по-видимому, является наилучшим возможным кандидатом.  Действительно, эти сверхлегкие частицы повсюду.  Буквально, в этот самый момент, миллиарды нейтрино, рожденные в недрах Солнца, пролетают через вас, и вы даже слегка не подозреваете об их существовании.  Эти несущественные частицы почти ни с чем не взаимодействуют и не излучают и не поглощают свет.  Они казались идеальным кандидатом на звание темной материи.  Считалось, что, возможно, вся скрытая темная материя была просто огромным количеством частиц нейтрино, которое мы не могли видеть.  Если бы это было так просто. Хотя нам неизвестна точная масса нейтрино, мы точно знаем, что это не более одной десяти миллионной массы электрона, а это примерно в 100 раз меньше, чем масса, необходимая для объяснения колоссального гигантского количества темной материи.

      Этот таинственный материал не является обычной частицей, такой как протоны и нейтроны.  Это не нейтрино, что же тогда?  Черные дыры?  Никаких других подходящих частиц не было найдено среди стандартных известных нам частиц.  Единственное, что в таком случае нам остаётся - искать ответы, выходящие за рамки этого.  Существует два основных типа кандидатов.  Мы не знаем, существуют ли такие частицы в природе, но любой из этих типов кандидатов (если они существуют) может полностью объяснить странную загадочность темной материи.  Первая категория - это так называемые слабые, слабо взаимодействующие массивные частицы.  Это определенный класс частиц, возникающих согласно теории суперсимметрии.  В этой теории они в десять раз тяжелее протонов и нейтронов и взаимодействуют только через слабую силу.  Ученые используют огромные резервуары с жидким ксеноном, чтобы попытаться защитить их.  Если, в то время как частицы существуют, огромное облако будет проходить по всей нашей галактике, то, по крайней мере, некоторые из них должны будут взаимодействовать с ядрами ксенона в лаборатории и излучать свет, который можно будет обнаружить в течение многих длительных месяцев наблюдения.

      Однако положительных результатов не было, что значительно сужает возможные параметры.  Другая категория частиц - аксионы, также гипотетические, которые предсказаны теорией ядерных взаимодействий.  Эти частицы, в отличие от предыдущих, чрезвычайно легкие, около миллиардной массы электрона.  Но опять же, теоретически, их было бы очень много.  Одним из свойств этих аксионов является то, что в очень мощном магнитном поле они могут быть преобразованы в фотоны.  Это легкие частицы, и снова это тот теоретический эффект, который позволяет ученым охотиться за этими частицами.  Если мы возьмем небольшую камеру, с огромным магнитным полем внутри и там будем светить фотонами, то, если мы подождем какое-то время, некоторые фотоны должны будут превратиться в аксионы, что мы сразу заметили бы.  Но опять же, этот многомиллионный эксперимент еще не был опробован и не дал никаких результатов соответственно.  Но, как это обычно бывает в науке, результатом является также и отсутствие результата.

      Итак, за последние 40 лет мы, наконец, поняли, что мы не можем объяснить присутствие этой таинственной массы во Вселенной. Ни межзвездными газами или пылью, ни мертвыми звездами и карликовыми звездами, ни любыми частицами, известными науке.  Несмотря на это, наблюдения и эксперименты помогли нам устранить утверждение о существовании огромных классов различных аксиоподобных частиц, значительно сужающих диапазон наших поисков всего за последние несколько лет.  Если будущие эксперименты не дадут каких-либо положительных результатов, то физика снова за свою долгую историю столкнется с колоссальной проблемой.  Потому что оказывается, что при всём разнообразии известной нам физики частиц, мы до сих пор не знаем, что составляет 85% материи нашей Вселенной.