Что такое темная материя

Разбираемся, из чего состоит 85% всей массы Вселенной.


Что такое темная материя? Никто ее не видел. Никто не знает, из чего она состоит. Но все же она есть. И во Вселенной ее очень много — в 5,5 раз больше, чем барионной (обычной) материи, из которой состоим мы с вами, планеты, звезды и все остальное, что нас окружает .

Что такое темная материя

Все, что мы знаем о темной материи — что она существует и что она может проявлять гравитационное взаимодействие, но не электромагнитное. Другими словами, она точно также притягивает другую материю, но не излучает и не поглощает свет — отсюда название «темная».

Мы знаем о существовании темной материи благодаря наблюдениям за другими галактиками. Если принимать во внимание только видимую массу (звезды, облака пыли и все остальное, что мы непосредственно видим в телескопы), то звезды должны вращаться вокруг центра галактики совсем не так, как мы видим.

Вращение звезд вокруг центра галактики: A — предполагаемое без учета темной материи, B — наблюдаемое

Также мы наблюдаем эффект гравитационного линзирования: если на пути света от далекого источника возникает достаточно массивный объект (галактика или скопление галактик), то пути лучей искривляются. Оптически, такое явление похоже на поведение привычной нам собирающей линзы — и видимой массы галактик, которые выступают в роли «линз», также недостаточно для объяснения наблюдаемых эффектов.

Гравитационное линзирование

Но если предположить, что существует некая невидимая (темная) материя, которая умеет взаимодействовать гравитационно, и что она формирует гало (заполненную сферу) вокруг центра галактики, то все становится на свои места: звезды в галактиках подчиняются закону всемирного тяготения, гравитационное линзирование работает так, как предполагает физика.

Из чего состоит темная материя

Пока никто точно не знает, из чего состоит темная материя, но есть много предположений. Одни из главных кандидатов на эту роль называются вимпы (англ. WIMP). Это предполагаемые частицы, масса которых в десятки раз больше массы протона. Из четырех фундаментальных взаимодействий физики — сильного, слабого, гравитационного и электромагнитного — им характерно только слабое и гравитационное.

Как искать темную материю

Недавно закончился один из крупнейших экспериментов по поиску вимпов. Для этого использовался детектор LUX — глубоко под землю (1510 метров) ученые поместили бак с большим количеством жидкого ксенона (около 330 кг), который окружен емкостью с водой.

Большая глубина и окружение емкости с ксеноном водой нужны для максимальной его изоляции от внешних воздействий. Никакие другие частицы не должны проникнуть внутрь, чтобы не спровоцировать ложноые срабатывания детекторов.

Бак с жидким ксеноном. Человек для масштаба

Жидкий ксенон тоже выбран не случайно. Вимпы должны проявлять слабое взаимодействие, а оно — вызывать радиационный распад. Ксенон обладает достаточной стабильностью и не распадается сам по себе. Но если рядом пролетит вимп, то этого будет достаточно, чтобы спровоцировать распад. Следы распада можно будет увидеть с помощью специальных высокочувствительных детекторов вокруг бака. Для обнаружения будет достаточно даже одного пролетевшего вимпа.

Ищем вимпы глубоко под землей

LUX работал на протяжении 20 месяцев. По окончанию эксперимента (в мае 2016 года) ученые сообщили, что не обнаружили ни единого вимпа.

Нулевой результат — тоже результат!

Это вовсе не значит, что вимпов не существует. Из результатов LUX исследователи сделали вывод, что можно исключить вариант с легкими вимпами — они в несколько раз тяжелее и встречаются реже (если они все же существуют), чем предполагалось ранее.

Но эксперимент не закончен: ученые модернизируют детектор и к 2020 году планируют увеличить количество жидкого ксенона в баке в 30 раз. Это увеличит чувствительность всего эксперимента как минимум в 70 раз. Чем больше ксенона, тем выше чувствительность (и больше шансов засечь вимпы — в том числе более тяжелые).

Но даже если улучшенный LUX ничего не обнаружит, это не означает, что эксперимент не удался. Нулевой результат — тоже результат.

Вспомните тот же эксперимент Микельсона-Морли: они использовали интерферометр (аналогичный LIGO), чтобы найти эфир — пронизывающую весь мир субстанцию, через которую должны были путешествовать электромагнитные волны.

Интерферометр Микельсона-Морли, с помощью которого так и не нашли эфир

Микельсон и Морли не нашли то, что искали, и это один из важнейших результатов в физике, который помог нам лучше понять электромагнитные волны! Сегодня вы читаете этот текст, потому что какой-то путь до вашего экрана он прошел в виде тех самых электромагнитных волн (Wi-Fi, спутниковая связь и т.д.).

Независимо от того, окажется ли темная материя вимпами (или чем-то еще), понимание ее свойств и состава может открыть нам новые возможности, о которых мы пока даже не догадываемся.

1
Автор: Антон Поздняков