По словам исследовательской группы, полученные ими результаты также позволяют точнее определить, какую долю энергии и материи во Вселенной составляет темная энергия. Они пришли к своим выводам после анализа наблюдений скоплений галактик, сделанных рентгеновским телескопом eROSITA, который просматривает все небо над Землей в поисках этих скоплений галактик, которые можно найти. eROSITA установлен на «Спектр-РГ» — российско-германском космическом телескопе, выведенном на орбиту Земли в 2019 году.
Физики впервые выдвинули теорию о существовании тёмной материи в 1933 году, отчасти потому, что уравнения показали, что в галактиках недостаточно наблюдаемой материи, чтобы предотвратить их распад. Кроме того, наблюдаемые скорости вращения галактик не соответствовали ожидаемым результатам стандартных физических моделей.
Дальнейшие исследования в основном были отложены до 1970-х годов, когда более совершенные научные приборы, от приёмников до космических телескопов, регистрирующих гамма-излучение, позволили астрономам и физикам подтвердить ранние расчёты и наблюдения.
Мощные радиотелескопы также дали подсказки, такие как гравитационное линзирование (эффект, при котором вещество заставляет свет преломляться между источником и наблюдателем), и убедительно свидетельствовали о существовании некой материи, которую мы можем обнаружить, но не видим. Главное в этом то, что мы её не видим; она не взаимодействует со светом
Всё, что вы видите, всё, что вы чувствуете, всё, из чего вы состоите, составляет лишь 5 процентов Вселенной, а остальное — это тёмная материя.
Физики подсчитали, что около 27 процентов всей Вселенной состоит из тёмной материи, а остальное (68 процентов) — это столь же загадочное явление, называемое тёмной энергией.
Невидимая часть Вселенной состоит из двух компонентов: тёмной энергии и тёмной материи. Последняя несколько менее загадочна, и учёные практически уверены в её существовании: без неё законы гравитации просто не работали бы. Галактики, какими мы их видим, не смогли бы собраться до своих нынешних размеров за время, прошедшее с момента Большого взрыва, если бы существовала только видимая материя. Более того, многие галактики даже не смогли бы удерживаться вместе, если бы гравитация видимой материи была единственной силой, притягивающей их друг к другу.
Новый европейский космический телескоп «Евклид» попытается составить карту этого невидимого вещества, но что, если результаты не оправдают ожиданий? На карту поставлено многое, включая знаменитую и широко признанную общую теорию относительности Эйнштейна.
Однако ситуация с тёмной энергией сложнее. Открытие этой неуловимой силы датируется 1998 годом, когда астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Изначально это расширение было вызвано энергией Большого взрыва, но поскольку Большой взрыв произошёл так давно (13,8 миллиарда лет назад, если быть точным), это расширение должно замедляться.
Чтобы разрешить эту загадку, теоретики предположили существование некой таинственной силы – тёмной энергии, которая противостоит гравитации и раздвигает материю. Согласно космологическим моделям, тёмная энергия составляет 68% всей энергии в космосе, согласно данным НАСА. Однако астрономы признают, что доказательства её существования довольно расплывчаты.
Астрономы надеются обнаружить следы тёмной энергии в распределении галактик в космосе, картографированном миссией «Евклид». ESA
Модели показывают, что эта энергия должна быть равномерно распределена по Вселенной и что её интенсивность всегда была одинаковой. На заре Вселенной влияние тёмной энергии было не столь заметно, поскольку первоначальный «толчок» от Большого взрыва был движущей силой большей части расширения Вселенной. Однако около 5-6 миллиардов лет назад тёмная энергия стала «преобладающей силой, противодействующей гравитации как обычной, так и тёмной материи.
Однако существует также вероятность, что тёмной энергии вообще не существует, и что космологические модели, предполагающие её существование, неверны. Эти модели основаны на общей теории относительности Альберта Эйнштейна, которая описывает физические «правила» Вселенной с помощью ряда уравнений. Если будущие наблюдения телескопа «Евклид» (и других телескопов, предназначенных для изучения тёмной энергии) покажут, что тёмная энергия не является такой уж постоянной и вездесущей силой, это будет означать, что эта знаменитая теория не совсем верна.
Евклид будет искать доказательства существования тёмной энергии, картируя распределение галактик на 10 миллиардов лет назад и сравнивая, как это распределение менялось на протяжении эволюции Вселенной. Наблюдения покажут, действительно ли существует постоянная, вездесущая сила или, возможно, происходит что-то ещё.
В общих чертах, мы можем измерить материю и энергию во Вселенной, наблюдая за ними в одном из четырех взаимодействий:
— С электромагнитным излучением (светом)
— Через гравитационные эффекты
— С другой материей посредством сильной ядерной силы, которая удерживает материю вместе
— Слабое ядерное взаимодействие, или взаимодействие субатомных частиц, ответственное за радиоактивный распад
Тёмная материя ускользает от большинства этих наблюдений, поскольку, по-видимому, она вообще не взаимодействует с обычной материей, за исключением гравитации. Но это не мешает физикам исключать другие методы.
Этот коридор ведёт в подземную научную лабораторию Джадугода в Индии. Расположенная на глубине 560 метров под поверхностью, эта лаборатория будет заниматься поиском слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMPS), указывающих на существование тёмной материи.
Одной из областей исследований Брауна является изучение взаимодействия тёмной материи с обычной материей в форме жидких изотопов ксенона. Период полураспада ксенона-124 примерно в триллион раз превышает возраст Вселенной. Огромные резервуары с этим веществом закачиваются глубоко в скважины в земной коре, чтобы ограничить фоновый шум, такой как электромагнитное излучение, которое может помешать измерениям. Только тёмная материя и некоторые субатомные частицы, такие как мюоны и нейтрино, могут проходить сквозь тысячи футов плотной горной породы.
Теоретически — только исключительно медленный естественный радиоактивный распад ксенона-124 или взаимодействие с мюонами, нейтрино или тёмной материей могут вызвать какие-либо изменения в изотопе. Если субатомная частица тёмной материи выбьет электрон из ксенона-124, то, как предполагается, эксперимент Xenon1T это зафиксирует.
Эксперимент проводится глубоко под землей, чтобы избежать воздействия электромагнитного излучения. XENON1T
Хотя ученые, изучающие темную материю, пока еще не обнаружили прямого взаимодействия с неуловимыми субатомными частицами, они, безусловно, сделали ряд других интересных наблюдений, включая распад ксенона-124 — самое редкое событие, когда-либо зафиксированное в истории человечества.
Мы знаем больше о том, чем тёмная материя не является, чем о том, чем она является. Во-первых, это не тёмная энергия. Это некая энергия, существование которой также косвенно доказано, но, вероятно, существует, поскольку Вселенная расширяется с возрастающей скоростью, что противоречит законам физики обычной материи и энергии.
И тёмная материя — это не антиматерия, которая представляет собой обычную материю, состоящую из субатомных частиц, имеющих заряд, прямо противоположный заряду материи. Когда антиматерия и материя сталкиваются, происходит аннигиляция, порождающая вспышки гамма-излучения. Тёмная материя также может испускать гамма-излучение, когда сталкивается со своим аналогом, тёмной антиматерией, образуя обычную материю.
И, наконец, темная материя — это не просто другой класс из трех семейств обычной материи, таких как адроны, лептоны или бозоны, последние два из которых ранее были теоретическими, но наконец-то были непосредственно обнаружены в ускорителях частиц и ведут себя не так, как мы ожидаем.
Однако лептоны и бозоны дают нам подсказку, по которой можно двигаться. Тёмная материя, по-видимому, представляет собой форму материи, состоящую из совершенно иного класса или классов субатомных частиц. Один из самых многообещающих — это WIMP (слабо взаимодействующая массивная частица).
Несмотря на своё невнятное название, считается, что вимпы имеют массу в 1000 раз больше массы протонов обычной материи. И теория, описывающая работу вимпов, прекрасно согласуется с расчётами количества тёмной материи во Вселенной.
Но вимпы — далеко не единственная теория, которая может быть рассмотрена. Существуют также первичные чёрные дыры, которые, по сути, представляют собой небольшие чёрные дыры, оставшиеся после Большого взрыва. Однако исследователи не наблюдали у них гравитационного микролинзирования, поэтому это исключает возможность того, что некоторые массы первичных чёрных дыр являются возможной тёмной материей.
Затем идут теоретические рассуждения о частицах, таких как SIMP и аксионы, и бесчисленное множество других потенциальных подсказок.
Конечно, проводить исследования, когда не можешь наблюдать то, что, по-твоему, существует или не всегда существует, может быть довольно утомительно. Например, исследователи из Йельского университета обнаружили две галактики, в которых вообще нет тёмной материи. Это исследование указывает на некоторые увлекательные возможности того, как функционирует темная материя во Вселенной: темная материя взаимодействует с обычной материей посредством механизма, который нам пока неизвестен — так называемой «темной силы» или пятой силы во Вселенной.
Составное изображение с оптического и рентгеновского телескопов, где синим цветом обозначена вероятная тёмная материя, хотя она и не отображается напрямую на снимках. Питер ван Доккум / Йельский университет
Другая идея заключается в том, что темная материя взаимодействует посредством большего количества известных сил, чем просто гравитация, но делает это с такой малой силой взаимодействия, что у нас пока просто нет средств для надежного обнаружения сигналов.
За последние 50 лет работа физики элементарных частиц была направлена на то, чтобы разложить Вселенную на ее мельчайшие компоненты. В настоящее время темная материя не вписывается в некоторые представления о том, как устроена Вселенная, в частности в стандартную модель физики элементарных частиц.
Кроме того, фундаментальная физика элементарных частиц, включая поиск тёмной материи, уже принесла ощутимые технологические достижения. Многие из используемых в этой области инструментов обнаружения широко применимы и в других областях, таких как медицинская визуализация или ядерная безопасность.
Интернет, к примеру, был создан отчасти потому, что физики-теоретики из ЦЕРНа хотели найти новые способы обмена данными. В то же время GPS в некоторой степени опирается на общую теорию относительности Эйнштейна, которая объясняет, как гравитация искривляет пространство и время.
Темная материя, по-видимому, распределена по космосу в виде сети, а скопления галактик формируются в узлах, где пересекаются волокна. Тёмная материя не взаимодействует со светом, поэтому мы не можем видеть её напрямую. Вместо этого учёные обнаруживают её присутствие по её гравитационному воздействию на видимые объекты.
Вот несколько ключевых доказательств существования темной материи:
1. Кривые вращения галактики
Когда астрономы измеряют скорость вращения звёзд вокруг центров галактик, они обнаруживают нечто странное. Звёзды на краях галактик движутся гораздо быстрее, чем должны были бы, если бы присутствовала только видимая материя. Это говорит о том, что нечто невидимое — тёмная материя — увеличивает массу галактики и не даёт этим звёздам улететь в космос.
2. Гравитационное линзирование
Согласно общей теории относительности Эйнштейна, массивные объекты могут искривлять траекторию света. Когда свет от далёких галактик движется к нам, он иногда проходит вблизи невидимых скоплений тёмной материи, которые искривляют траекторию света в результате явления, называемого гравитационным линзированием. Изучая, как свет искажается скоплениями галактик, астрономы смогли создать карту тёмной материи во Вселенной.
3. Реликтовое космическое излучение (РКФ)
Реликтовое излучение (РКМ) – это остаточное излучение Большого взрыва, которое содержит мельчайшие температурные флуктуации, показывающие распределение материи в ранней Вселенной. Характер этих флуктуаций имеет смысл только в том случае, если тёмная материя уже существовала и влияла на то, как сгущалась обычная материя.
4. Крупномасштабная структура Вселенной
Компьютерное моделирование эволюции Вселенной показывает, что галактики и скопления галактик формируются таким образом только при наличии огромного количества тёмной материи. Без неё структуры были бы гораздо меньше и более разбросанными.
Загадочное свечение, исходящее из центра Млечного Пути, может быть вызвано уничтожением темной материи. Маттиа Ди Мауро (ESO/Fermi-Lat)
Вот некоторые из основных кандидатов на роль темной материи:
1. WIMP (слабо взаимодействующие массивные частицы)
Эти гипотетические частицы — одни из главных претендентов. Они обладают массой и взаимодействуют посредством гравитации и, возможно, слабого ядерного взаимодействия, но не посредством света или электромагнетизма, что делает их невидимыми. Крупные подземные детекторы пытаются зафиксировать одну из этих неуловимых частиц в действии, но пока безуспешно.
2. Аксионы
Аксионы — сверхлёгкие частицы, которые могут существовать в больших количествах и действовать как холодная невидимая жидкость в пространстве. Они — ещё один сильный кандидат на роль тёмной материи, особенно потому, что могут помочь решить другие физические загадки, например, проблему сильного CP-композиции в физике элементарных частиц.
3. Стерильные нейтрино
Нейтрино — это призрачные частицы, которые едва взаимодействуют с материей. Стерильные нейтрино были бы ещё более неуловимыми, чем обычные, и если они существуют, то могли бы частично или полностью объяснить тёмную материю.
4. Первичные черные дыры
Некоторые учёные предполагают, что тёмная материя может состоять из крошечных чёрных дыр, образовавшихся в ранней Вселенной. Они были бы малы и их было бы трудно обнаружить, но их существование остаётся маловероятным.
Новая экспериментальная методика наложила ограничения на потенциального кандидата на темную материю, называемого «темными фотонами». Новый метод может помочь ученым пролить свет на самую загадочную субстанцию Вселенной, сузив круг поиска конкретного кандидата на роль темной материи — скрытых «темных фотонов».
Тёмная материя составляет около 85% материи Вселенной, но поскольку она не взаимодействует со светом или взаимодействует очень слабо, она остаётся практически невидимой. Тот факт, что тёмная материя, по-видимому, не взаимодействует электромагнитным путём, означает, что учёные знают, что она не может состоять из атомов, из которых состоит «обычная» материя, из которой состоят звёзды, планеты и наши тела. Исследование группы было опубликовано в июне 2023 года в журнале Physical Review Letters.
Тайна тёмной материи — столь актуальная проблема для учёных, поскольку она означает, что наблюдаемая нами материя составляет всего 15% всего вещества космоса, не считая энергии. Это привело к поиску потенциальных кандидатов на роль тёмной материи, таких как так называемые «скрытые» или «тёмные» фотоны.
Эти тёмные фотоны будут отличаться от обычных фотонов, безмассовых частиц, составляющих свет, поскольку, согласно теории, тёмные фотоны обладают массой. Однако масса тёмных фотонов будет ничтожно мала, примерно на двадцать порядков меньше массы электрона. Именно эта сверхлёгкая природа делает тёмные фотоны хорошими кандидатами на тёмную материю, а также делает их невероятно сложными для обнаружения.
Первоначально тёмные фотоны были предложены в качестве кандидатов на составляющие тёмной материи, поскольку теоретически они слабо взаимодействовали с обычными фотонами, а значит, могли играть роль в разогреве ранней Вселенной. Это объясняет, почему космическая паутина, крупномасштабная структура во Вселенной, связывающая галактики, была горячее, чем предсказывалось при наблюдении космическим телескопом «Хаббл».
Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) разработали новый метод обнаружения тёмных фотонов. И хотя эта новая стратегия пока не обнаружила ни одной гипотетической частицы, она наложила ограничения на их характеристики, что поможет в будущих исследованиях.
«Чувствительность эксперимента по исследованию скрытых фотонов темной материи зависит от силы сигнала темной материи по сравнению с наименьшим сигналом, который вы можете обнаружить», — рассказал член группы Никита Климович, научный сотрудник физического факультета Оксфордского университета, в интервью Phys.org.
«При поиске скрытых фотонов амплитуда сигнала темной материи зависит от площади используемой металлической антенны, в то время как минимальный обнаруживаемый уровень сигнала во многом определяется уровнем шума усилителей, используемых для считывания сигнала с антенны», — добавил Климович.
Вдохновение для поиска темных фотонов командой почерпнуто из предыдущей попытки поиска скрытой темной материи под названием эксперимент SHUKET, в котором использовался электромагнитный телескоп. Предыдущие исследования, которые вдохновили эту работу, такие как эксперимент SHUKET, в целом были направлены на максимальное увеличение мощности сигнала за счет использования очень большой антенны с использованием лучших из имеющихся в продаже малошумящих усилителей.
Однако в новом исследовании команда применила другой подход, используя квантово-ограниченные усилители вместо стандартных и проводя охоту за тёмными фотонами при невероятно низких температурах. Они исследовали их при температурах от минус 459 градусов по Фаренгейту (минус 272,9 градуса по Цельсию) до минус 459,6682 градуса по Фаренгейту (минус 273,149 градуса по Цельсию), что всего на долю градуса выше самой низкой теоретически возможной температуры — абсолютного нуля.
Хотя это позволило учёным значительно снизить минимальные уровни обнаруживаемого сигнала по сравнению с другими экспериментами, использующими готовую технику, у этого метода был серьёзный недостаток. Небольшой объём вакуумной изоляции криостата, который учёные использовали для охлаждения своей аппаратуры, серьёзно ограничивал размер сферической металлической чаши, которую они могли использовать в своих исследованиях.
Хотя это означало гораздо более слабый сигнал, чем тот, который был обнаружен SHUKET и другими экспериментами по поиску темной материи, группа надеялась, что этот недостаток будет компенсирован возросшей чувствительностью собранных ими измерений.
«Если бы существовал скрытый фотон с массой, соответствующей диапазону частот, к которому мы чувствительны, мы бы увидели небольшой избыток мощности, исходящий от антенны, по сравнению с эталоном», — сказал Климович. «Поскольку мы не наблюдали такого сигнала, мы могли бы установить новый верхний предел взаимодействия такой скрытой фотонной частицы с электромагнитным полем, основываясь на наименьшем уровне сигнала, который мы могли бы обнаружить».
Хотя сигнал тёмных фотонов не присутствовал в измерениях группы, подход, выбранный учёными, наложил новые строгие ограничения на теоретически скрытые фотоны. По мере продолжения поиска кандидатов на тёмную материю эти ограничения и новый подход могут в конечном итоге сыграть свою роль в открытии тёмных фотонов и, таким образом, в разгадке тайны тёмной материи.
Некоторые учёные предполагают, что тёмная материя может состоять из крошечных чёрных дыр, образующихся при коллапсе так называемых «тёмных барионов». Или, в качестве альтернативы, тёмная материя может быть разновидностью частиц, созданных излучением Хокинга на космическом горизонте.
На протяжении десятилетий главным кандидатом на звание частиц темной материи считались вимпы (слабо взаимодействующие массивные частицы). Но по мере того, как поиски вимпов заходят в тупик, а эксперименты продолжают давать сбои, появляются новые теории тёмной материи. Среди них — две новые модели, разработанные Стефано Профумо, профессором теоретической физики Калифорнийского университета в Сан-Диего, и его идеи предлагают совершенно иной взгляд на проблему тёмной материи.
В одной из статей Профумо рассматривает вопрос о том, может ли «тёмный сектор» быть источником тёмной материи. Под тёмным сектором он не подразумевает, что наша Вселенная управляется тёмной материей и тёмной энергией. Вместо этого он имеет в виду своего рода «зеркальный мир» частиц, взаимодействующих посредством сил, неподвластных материи нашего мира. Гипотеза Профумо о темном секторе и черной дыре была опубликована 9 мая 2024 года в журнале Physical Review D, а его модель космического горизонта была опубликована в том же журнале 8 июля.
Профумо утверждает, что эта концепция не так уж странна, как может показаться. Например, он подчёркивает, как кварки внутри протонов и нейтронов связаны друг с другом сильным ядерным взаимодействием. Электроны абсолютно нечувствительны к сильному взаимодействию. Они его вообще не чувствуют. Для них сильное взаимодействие — это тёмная область.
Схема истории Вселенной и местонахождение космического горизонта. Квантовые эффекты на горизонте могли привести к появлению тёмной материи в ранней Вселенной. Стефано Профумо
По словам Профумо, темные барионы были бы эквивалентны протонам или нейтронам в этом темном секторе, за исключением того, что они могли бы содержать более трех кварков и, следовательно, быть более массивными.
Следующий шаг в теории исследователя был вдохновлён его сыном-подростком, который задался вопросом, может ли достаточно массивная частица коллапсировать под действием собственной гравитации, образуя мини-чёрную дыру. Тёмные барионы в тёмном секторе, если он существует, могут быть достаточно массивными, чтобы сделать именно это, — и эти крошечные чёрные дыры могли бы быть распространены во Вселенной и в совокупности образовывать то, что мы называем тёмной материей.
Черные дыры, большие или маленькие, окружены невидимой границей, называемой горизонтом событий, внутри которого гравитация настолько сильна, что даже свет не может ее покинуть. Однако горизонт событий «горячий» — частицы, созданные на границе квантовыми эффектами, могут излучаться в виде того, что мы называем излучением Хокинга (названным в честь известного физика Стивена Хокинга, которому приписывают эту идею). Со временем излучение Хокинга забирает массу и энергию из черной дыры, заставляя ее постепенно испаряться. Для сверхмассивных черных дыр это заняло бы невообразимо много времени — по крайней мере 10^100 лет. Однако черные дыры в самых малых масштабах — которые мы называем масштабом Планка — могут испариться за время, меньшее возраста Вселенной.
Однако если сделать определенные предположения о природе этих черных дыр, образованных в результате коллапса темных барионов, то их излучение Хокинга может быть подавлено, что не позволит им испариться и позволит им действовать как темная материя.
Между тем, другая идея Профумо также использует концепцию излучения Хокинга, но совершенно новым способом.
Мы живём во Вселенной, которая расширяется с ускорением, унося с собой области космоса настолько далёкие, что их свет никогда не достигнет нас. Это приводит к границе, или космическому горизонту, который определяет край видимой Вселенной. За этим горизонтом может быть гораздо больше Вселенной, но мы никогда её не увидим.
Теперь вернёмся к моменту Большого взрыва. Вселенная началась со всплеска энергии расширения, известного как инфляция. Этот период инфляции длился ничтожную долю секунды. Однако некоторые модели также предполагают, что после инфляции произошёл второй кратковременный всплеск энергии расширения. По сути, это период мини-инфляции, это может быть связано с инфляцией и её завершением, или же может быть вызвано аналогичными факторами.
Этот второй период расширения создал космические горизонты, подобные тому, что граничит с видимой Вселенной сегодня. Однако видимая Вселенная сегодня имеет диаметр 93 миллиарда световых лет , а Земля находится в её центре (понятие «видимой» Вселенной очень зависит от наблюдателя — наблюдатели в разных частях космоса будут видеть разные объёмы наблюдаемой Вселенной, центрированные вокруг них). Огромные размеры видимой Вселенной означают, что температура на космическом горизонте очень низкая, поскольку само пространство стало очень распределённым.
На этом составном изображении показано распределение тёмной материи, галактик и горячего газа в ядре сливающегося скопления галактик Abell 520, образовавшегося в результате интенсивного столкновения массивных скоплений галактик. Синие области указывают на расположение большей части массы скопления, в которой преобладает тёмная материя. NASA, ESA, CFHT, CXO, MJ Jee, A. Mahdavi
Однако во время второго всплеска инфляции Вселенная по-прежнему была невероятно компактной, а температура на горизонте — чрезвычайно высокой.
Профумо понял, что эти ранние космические горизонты могут действовать подобно горизонтам событий; действительно, эта концепция немного напоминает чёрную дыру, но вывернута наизнанку, поскольку всё, что находится за космическим горизонтом, навсегда отделено от нас, точно так же, как всё, что находится внутри горизонта событий чёрной дыры, отделено от нас. И подобно тому, как излучение Хокинга испускается горизонтом событий чёрной дыры, Профумо предполагает, что космический горизонт также может испытывать излучение Хокинга, и что энергия этого излучения может преобразовываться в некую частицу тёмной материи.
Это может показаться несколько произвольным, поскольку положение космического горизонта зависит от местоположения наблюдателя. Однако, поскольку Вселенная однородна (одинакова в каждой точке на больших масштабах) и изотропна (одинакова во всех направлениях) — два трюизма, которые мы называем космологическим принципом, — любые два наблюдателя должны видеть одинаковое количество тёмной материи, где бы они ни находились.
Профумо не утверждает, что темная материя обязательно должна быть одной из этих двух возможностей; на самом деле, тот факт, что он разработал две теории, подразумевает, что он не желает привязывать свои цвета к какой-либо конкретной теории.
Всё, что мы знаем наверняка о тёмной материи, — это то, что она взаимодействует посредством гравитации, и всё же, несмотря на свою загадочность, она полностью доминирует в том, как материя во Вселенной собирается в галактики. Прошло почти столетие с тех пор, как Фриц Цвикки впервые предположил существование тёмной материи, и около полувека с тех пор, как Вера Рубин подтвердила необходимость тёмной материи в нашей Вселенной, но мы до сих пор ничего о ней не знаем. Эксперименты могут сузить круг её свойств, поэтому чем больше у нас идей, тем больше вероятность, что мы сможем сопоставить одну из них с наблюдаемыми свойствами тёмной материи.
Некоторые исследователи предположили, что тёмной материи вообще не существует — возможно, наше понимание гравитации перестаёт работать в больших масштабах. Одна из наиболее известных альтернативных теорий называется «Модифицированная ньютоновская динамика» (МОНД). Она корректирует поведение гравитации при очень низких ускорениях, например, на окраинах галактик.
Однако теория MOND и подобные ей теории не могут объяснить все имеющиеся данные, особенно детальные закономерности в реликтовом космическом излучении и гравитационном линзировании. Именно поэтому большинство учёных по-прежнему считают тёмную материю реальной субстанцией, которую мы просто пока не можем обнаружить напрямую.
Тёмная материя не взаимодействует со светом, поэтому мы не можем видеть её напрямую. Вместо этого учёные обнаруживают её присутствие по её гравитационному воздействию на видимые объекты.
В основном космологи считают, что ответ заключается в том, что поведение галактик объясняется тёмной материей. Отчасти потому, что было очень сложно сформулировать успешную теорию МОНД (модифицированной гравитации). А отчасти потому, что, когда ученые направили микроволновые телескопы на космическое фоновое излучение (РИ), свет от ранней Вселенной, выяснилось, что, согласно ОТО, то же количество и тип тёмной материи требовались и для объяснения поведения звуковых волн, которые распространялись по Вселенной, когда ей было менее 500 000 лет, и чьи отпечатки мы можем видеть. Модифицированная гравитация с трудом даёт единое объяснение всем этим системам — галактикам, скоплениям галактик, Вселенной.
Если тёмная материя существует, она должна иметь массу. Безмассовая тёмная материя не могла бы вести себя таким образом, чтобы решать проблемы, которые решает тёмная материя.
Две вещи, которые мы знаем наверняка о темной материи (при условии ее существования): она оказывает гравитационное воздействие (имеет массу) и движется медленно (по сравнению со скоростью света).
Эксперименты, часто проводимые глубоко под землёй для защиты от космических лучей, предназначены для регистрации частиц тёмной материи, взаимодействующих с детектором. Такие эксперименты, как LUX-ZEPLIN (LZ) и XENONnT, выводят чувствительность на новый уровень.
Большой адронный коллайдер (БАК) сталкивается с частицами при высоких энергиях, что потенциально приводит к образованию частиц темной материи, которые не поддаются обнаружению, но оставляют недостающую энергию и импульс в данных о столкновениях.
Телескопы по всему миру и в космосе продолжают картировать распределение тёмной материи с помощью гравитационного линзирования и обзоров галактик. Такие инструменты, как обсерватория Веры К. Рубин и миссия «Евклид» Европейского космического агентства, предоставят ещё более качественные данные.
Специальные эксперименты, такие как ADMX (эксперимент с аксионной темной материей) и поиски стерильных нейтрино, проверяют других потенциальных кандидатов на темную материю.
Подробнее о тёмной материи можно узнать на сайте Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (США), которая проводит эксперименты с частицами высокой энергии на передовых коллайдерах частиц с целью открытия частиц, которые могли бы заполнить пробелы в нашем понимании Вселенной. Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН), крупнейшая в мире лаборатория физики элементарных частиц, также занимается поиском недостающих частиц тёмной материи. НАСА, Темная энергия, Темная материя, https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy, ЦЕРН, Темная материя, https://home.cern/science/physics/dark-matter
Примерно 80% массы Вселенной состоит из темной материи. МАРК ГАРЛИК/SCIENCE PHOTO LIBRARY
Сила антигравитации, которая является движущей силой ускоренного расширения Вселенной, по-видимому, распределена равномерно в пространстве и времени.
По словам исследовательской группы, полученные результаты также позволяют точнее определить, какую долю энергии и материи во Вселенной составляет темная энергия. Исследование группы было опубликовано в апреле 2023 года в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Они пришли к своим выводам после анализа наблюдений скоплений галактик, сделанных рентгеновским телескопом eROSITA, который просматривает все небо над Землей в поисках этих скоплений галактик, которые можно найти. eROSITA установлен на «Спектр-РГ» — российско-германском космическом телескопе, выведенном на орбиту Земли в 2019 году.
Скопления галактик полезны для понимания тёмной энергии, поскольку в больших масштабах эта странная отталкивающая «антигравитационная» сила должна подавлять образование гигантских космических структур. Это означает, что тёмная энергия определяет, как и где могут формироваться скопления галактик, крупнейшие объекты во Вселенной.
В ходе окончательного обзора экваториальной глубины (eFEDS) eROSITA было обнаружено около 500 скоплений галактик, что является одной из крупнейших выборок маломассивных скоплений галактик, обнаруженных на сегодняшний день. Наблюдаемые скопления охватывают примерно последние 10 миллиардов лет эволюции Вселенной, возраст которой составляет 13,8 миллиарда лет.
Рентгеновские (вверху) и оптические псевдоцветные (внизу) изображения трёх маломассивных скоплений галактик, изученных телескопом eROSITA. Скопление с наибольшим красным смещением относится к периоду, когда Вселенная была примерно на 10 миллиардов лет моложе, чем сегодня. В этом случае галактики скопления, очевидно, значительно краснее галактик в двух других скоплениях. eROSITA
Исследовательская группа объединила наблюдения eROSITA с оптическими данными, полученными в ходе стратегической программы Hyper Suprime-Cam Subaru. Это позволило провести первое космологическое исследование с использованием скоплений галактик, обнаруженных eROSITA.
Результаты исследования были сопоставлены с теоретическими предсказаниями, подтвердив, что тёмная энергия составляет около 76% общей плотности энергии Вселенной. Результаты также свидетельствуют о том, что эта плотность энергии однородна в пространстве и постоянна во времени.
Результаты группы хорошо согласуются с результатами других независимых подходов к изучению тёмной энергии, таких как предыдущие исследования скоплений галактик, а также исследования, основанные на эффекте гравитации на свет, называемом слабым гравитационным линзированием. Однако, хотя новые открытия проливают больше света на тёмную энергию, эта сила остаётся загадкой, которую физики стремятся раскрыть.
В 1920-х годах американский астроном Эдвин Хаббл наблюдал за далёкими галактиками, которые показали, что они удаляются от нас. Более того, чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется, что привело учёных к открытию расширения Вселенной.
Это было достаточно шокирующим фактом, чтобы опровергнуть распространённое в то время представление о том, что Вселенная существует в стабильном состоянии. Ситуация стала ещё более странной в 1998 году, когда наблюдения за далёкими сверхновыми показали, что Вселенная не только расширяется, но и ускоряется.
Чтобы объяснить это ускорение, ученым нужен источник, и они называют этот источник „тёмной энергией“, которая обеспечивает своего рода „антигравитацию“ для ускорения космического расширения.
Тем не менее, несмотря на знание того, что делает темная энергия, и возможность подсчитать, что она составляет около 76% энергии и материи во Вселенной, ученые все еще не знают, что она собой представляет на самом деле и почему она начала воздействовать на Вселенную в ее более поздние эпохи.
