В следующем за "Born to Run" альбоме 1978 года Брюс Спрингстин использует темноту на окраине города как метафору пустынного неизвестного, с которым мы все сталкиваемся, когда взрослеем и пытаемся понять мир.
Космологи, работающие над расшифровкой происхождения и судьбы Вселенной, должны полностью разделять чувство трагической тоски Босса. Эти ученые, наблюдающие за звездами, долгое время сталкиваются со своей собственной тьмой на краю города (или на краю галактики), пытаясь объяснить одну из величайших тайн астрономии. Он известен кактемная материя, которая сама по себе является заполнителем - как x или y, используемым на уроках алгебры - для чего-то неизвестного и до сих пор невидимого. Однажды у него будет новое имя, но сегодня мы застряли с временным ярлыком и его коннотациями призрачной неопределенности.
То, что ученые не знают, как назвать темную материю, не означает, что они ничего о ней не знают. Они знают, например, что темная материя ведет себя иначе, чем «нормальная» материя, такая как галактики, звезды, планеты, астероиды и все живые и неживые существа на Земле. Астрономы классифицируют все это какбарионную материю, и они знают, что ее основной единицей является атом, который сам состоит из еще более мелких субатомных частиц, таких как протоны, нейтроны и электроны.
В отличие от барионной материи темная материя не излучает и не поглощает свет или другие формы электромагнитной энергии. Астрономы знают, что она существует, потому что что-то во Вселенной оказывает значительное гравитационное воздействие на вещи, которые мы можем видеть. Когда они измеряют эффекты этой гравитации, ученые подсчитали, что темная материя составляет до 23 процентов Вселенной. Барионная материя составляет всего 4,6 процента. И еще одна космическая загадка, известная как темная энергия, дополняет остальные - целых 72 процента!
Так что же такое темная материя? Откуда это? Где это сейчас? Как ученые изучают материал, если они не могут его видеть? И что они надеются получить, решая головоломку? Является ли темная материя секретом укрепления стандартной модели физики элементарных частиц, или она коренным образом изменит то, как мы видим и понимаем мир вокруг нас? Так много вопросов, на которые нужно ответить. Начнем с самого начала - далее.
Доказательства темной материи: начало
Астрономы веками восхищались галактиками. Сначала пришло осознание того, что наша Солнечная система лежит в объятиях массивного тела звезд. Затем появились доказательства существования других галактик за пределами Млечного Пути. К 1920-м годам такие ученые, как Эдвин Хаббл, каталогизировали тысячи «островных вселенных» и записывали информацию об их размерах, вращении и расстояниях от Земли.
Одним из ключевых аспектов, который астрономы надеялись измерить, была масса галактики. Но нельзя просто взвесить что-то размером с галактику - нужно найти массу другими методами. Один из методов заключается в измерении интенсивности света или светимости. Чем ярче галактика, тем большей массой она обладает (см. Как работают звезды). Другой подход состоит в том, чтобы рассчитать вращение тела или диска галактики, отслеживая, как быстро звезды внутри галактики движутся вокруг ее центра. Изменения скорости вращения должны указывать на области с различной гравитацией и, следовательно, массой.
Когда астрономы начали измерять вращение спиральных галактик в 1950-х и 60-х годах, они сделали загадочное открытие. Они ожидали, что звезды вблизи центра галактики, где видимая материя более сконцентрирована, будут двигаться быстрее, чем звезды на краю. Вместо этого они увидели, что звезды на краю галактики имеют ту же скорость вращения, что и звезды вблизи центра. Астрономы наблюдали это сначала с Млечным Путем, а затем, в 1970-х годах, Вера Рубин подтвердила это явление, когда провела подробные количественные измерения звезд в нескольких других галактиках, включая Андромеду (М31).
Смысл всех этих результатов указывал на две возможности: что-то было в корне неправильно с нашим пониманием гравитации и вращения, что казалось маловероятным, учитывая, что законы Ньютона выдержали множество испытаний на протяжении веков. Или, что более вероятно, галактики и галактические скопления должны содержать невидимую форму материи - привет, темную материю - ответственную за наблюдаемые гравитационные эффекты. По мере того как астрономы сосредоточивали свое внимание на темной материи, они начали собирать дополнительные доказательства ее существования.
Пионеры Темной Материи
Концепция темной материи возникла не у Веры Рубин. В 1932 году голландский астроном Ян Хендрик Оорт заметил, что звезды в окрестностях нашей галактики движутся быстрее, чем предсказывали расчеты. Он использовал термин «темная материя» для описания неопознанной массы, необходимой для того, чтобы вызвать этот всплеск скорости. Год спустя Фриц Цвикки начал изучать галактики в скоплении Волос. Используя измерения светимости, он определил, какая масса должна быть в скоплении, а затем, поскольку масса и гравитация связаны, рассчитал, с какой скоростью должны двигаться галактики. Однако когда он измерил их истинные скорости, то обнаружил, что галактики движутся намного быстрее, чем он ожидал. Чтобы объяснить это несоответствие, Цвикки предположил, что среди видимой материи скрыто больше массы - на два порядка больше. Подобно Оорту, Цвикки называл это невидимое вещество темной материей.
Доказательства темной материи: новые открытия
Астрономы продолжали находить загадочную информацию, изучая отдаленные галактики Вселенной. Несколько бесстрашных звездочетов обратили свое внимание нагалактические скопления - узлы галактик (от 50 до нескольких тысяч), связанных гравитацией - в надежде найти скопления горячего газа, которые ранее осталась незамеченной, и это может объяснить массу, приписываемую темной материи.
Когда они направили рентгеновские телескопы, такие как рентгеновская обсерватория Чандра, на эти скопления, они действительно обнаружили огромные облака перегретого газа. Однако этого недостаточно, чтобы объяснить расхождения в массе. Измерение давления горячего газа в галактических скоплениях показало, что темной материи должно быть примерно в пять-шесть раз больше, чем всех звезд и газа, которые мы наблюдаем. В противном случае в скоплении не было бы достаточной гравитации, чтобы предотвратить утечку горячего газа.
Галактические скопления предоставили другие подсказки о темной материи. Заимствуя из общей теории относительности Альберта Эйнштейна, астрономы показали, что скопления и сверхскопления могут искажать пространство-время своей огромной массой. Световые лучи, исходящие от удаленного объекта за скоплением, проходят через искаженное пространство-время, что заставляет лучи искривляться и сходиться по мере их движения к наблюдателю. Таким образом, скопление действует как большая гравитационная линза, очень похожая на оптическую линзу (см. Как работает свет).
Искаженное изображение удаленного объекта может проявляться тремя возможными способами в зависимости от формы линзы:
- Ring - изображение выглядит как частичный или полный световой круг, известный как кольцо Эйнштейна. Это происходит, когда удаленный объект, галактика в линзе и наблюдатель/телескоп идеально выровнены. Это что-то вроде космического яблочка.
- Продолговатое или эллиптическое- изображение разбивается на четыре изображения и появляется в виде креста, известного какКрест Эйнштейна.
- Cluster - изображение выглядит как серия дуг и дуг в форме бананов.
Измеряя угол изгиба, астрономы могут рассчитать массу гравитационной линзы (чем больше изгиб, тем массивнее линза). Используя этот метод, астрономы подтвердили, что галактические скопления действительно имеют большие массы, превышающие массы, измеренные светящейся материей, и в результате предоставили дополнительные доказательства существования темной материи.
Чандра спешит на помощь
В 2000 году Чандра наблюдал гигантское облако горячего газа, окутывающее скопление галактик Abell 2029, что привело астрономов к оценке, что это скопление должно содержать количество темной материи, эквивалентное более чем ста триллионам солнц! Если другие скопления имеют аналогичные характеристики, то от 70 до 90 процентов массы Вселенной можно отнести к темной материи.
Картирование темной материи
По мере того как астрономы собирали информацию о существовании и ошеломляющем количестве темной материи, они обратились к компьютеру, чтобы создать модели того, как могут быть организованы эти странные вещества. Они сделали обоснованные предположения о том, сколько барионной и темной материи может существовать во Вселенной, а затем позволили компьютеру нарисовать карту на основе этой информации. Моделирование показало, что темная материя представляет собой паутинистый материал, переплетенный с обычной видимой материей. В некоторых местах темная материя слилась в комки. В других местах он вытягивался, образуя длинные нитевидные нити, на которых галактики кажутся запутанными, как насекомые, запутавшиеся в паутине. Согласно компьютеру, темная материя может быть повсюду, связывая вселенную воедино, как некая невидимая соединительная ткань.
С тех пор астрономы усердно работали над созданием аналогичной карты темной материи на основе прямых наблюдений. И они использовали один из тех же инструментов - гравитационное линзирование, - которое в первую очередь помогло доказать существование темной материи. Изучая эффекты искажения света скоплениями галактик и объединяя данные с оптическими измерениями, они смогли «увидеть» невидимый материал и начали составлять точные карты.
В некоторых случаях астрономы составляют карту отдельных скоплений. Например, в 2011 году две команды использовали данные рентгеновской обсерватории Чандра и других инструментов, таких как космический телескоп Хаббл, для картографирования распределения темной материи в галактическом скоплении, известном как Abell 383, которое расположено примерно на 2.3 миллиарда световых лет от Земли. Обе команды пришли к одному выводу: темная материя в скоплении имеет не сферическую, а яйцевидную форму, наподобие американского футбольного мяча, ориентированную одним концом к наблюдателям. Однако исследователи разошлись во мнениях относительно плотности темной материи в Abell 383. Одна команда подсчитала, что темная материя увеличивается к центру скопления, а другая замерила меньше темной материи в центре. Даже с учетом этих расхождений независимые усилия доказали, что темную материю можно обнаружить и успешно нанести на карту.
В январе 2012 года международная группа исследователей опубликовала результаты еще более амбициозного проекта. С помощью 340-мегапиксельной камеры канадско-французско-гавайского телескопа (CFHT) на горе Мауна-Кеа на Гавайях ученые изучили эффекты гравитационного линзирования 10 миллионов галактик в четырех разных областях неба в течение пяти лет. Когда они соединили все вместе, у них была картина темной материи, простирающейся на 1 миллиард световых лет пространства - самая большая карта невидимого вещества, созданная на сегодняшний день. Их готовый продукт напоминал более ранние компьютерные симуляции и раскрывал обширную паутину темной материи, протянувшуюся через пространство и смешавшуюся с обычной материей, о которой мы знали на протяжении веков.
Идентификация частиц темной материи
Основываясь на доказательствах, большинство астрономов согласны с тем, что темная материя существует. Кроме того, у них больше вопросов, чем ответов. Самый большой вопрос, осмелимся сказать, один из самых больших во всей космологии, касается точной природы темной материи. Это экзотический, неизведанный тип материи или обычная материя, которую нам трудно наблюдать?
Последняя возможность кажется маловероятной, но астрономы рассмотрели несколько кандидатов, которые они называютMACHOилимассивные компактные галоMACHO - это крупные объекты, находящиеся в гало галактик, но ускользающие от обнаружения из-за очень низкой светимости. К таким объектам относятся коричневые карлики, чрезвычайно тусклые белые карлики, нейтронные звезды и даже черные дыры. MACHO, вероятно, вносят некоторый вклад в тайну темной материи, но их просто недостаточно, чтобы объяснить всю темную материю в одной галактике или скоплении галактик.
Астрономы считают более вероятным, что темная материя состоит из совершенно нового типа материи, состоящей из элементарных частиц нового типа. Сначала они считалинейтринофундаментальными частицами, впервые постулированными в 1930-х годах, а затем открытыми в 1950-х годах, но поскольку они имеют такую маленькую массу, ученые сомневаются, что они составляют много темной материи. Другие кандидаты - плод научного воображения. Они известны какWIMPs(отслабо взаимодействующие массивные частицы), и если они существуют, то эти частицы имеют массы в десятки или сотни раз превышающие эту протона, но так слабо взаимодействуют с обычным веществом, что их трудно обнаружить. Вимпы могут включать в себя любое количество странных частиц, например:
- Neutralinos (массивные нейтрино) - гипотетические частицы, похожие на нейтрино, но более тяжелые и медленные. Хотя они не были обнаружены, они лидируют в категории вимпов.
- Аксионы - Мелкие нейтральные частицы с массой менее одной миллионной части электрона. Аксионы могли образоваться в изобилии во время Большого взрыва.
- Photinos - Подобно фотонам, каждый из которых имеет массу в 10-100 раз больше массы протона. Фотино не заряжены и, в соответствии с прозвищем WIMP, слабо взаимодействуют с материей.
Ученые всего мира продолжают активно охотиться за этими частицами. Одна из их самых важных лабораторий, Большой адронный коллайдер (БАК), находится глубоко под землей в круглом туннеле длиной 26,5 миль, который пересекает французско-швейцарскую границу. Внутри туннеля электрические поля разгоняют два пучка протонов до абсурдных скоростей, а затем позволяют им столкнуться, высвобождая сложный поток частиц. Целью экспериментов на БАК является не непосредственное производство вимпов, а создание других частиц, которые могут распадаться на темную материю. Этот процесс распада, хотя и почти мгновенный, позволил бы ученым отслеживать изменения импульса и энергии, которые предоставили бы косвенные доказательства совершенно новой частицы.
Другие эксперименты включают в себя подземные детекторы, надеющиеся зарегистрировать частицы темной материи, проносящиеся мимо и сквозь Землю (см. врезку).
Похоронен в Миннесоте
Если далекие галактики обычно находятся внутри пелены темной материи, то Млечный Путь тоже может. И если это так, то Земля должна проходить через море частиц темной материи, когда она вращается вокруг Солнца, а Солнце движется вокруг галактики. Чтобы обнаружить эти частицы, команда Криогенного поиска темной материи (CDMS) закопала массив германиевых клеток глубоко под землей в Судане, штат Миннесота. Если частицы темной материи существуют, они должны пройти сквозь твердую землю и ударить по ядрам атомов германия. который будет отскакивать и производить небольшое количество тепла и энергии. В 2010 году команда сообщила, что обнаружила двух вимпов-кандидатов, поражающих массив ячеек. В конце концов, ученые решили, что результаты не были статистически значимыми, но это был еще один дразнящий ключ к поиску самого загадочного вещества во Вселенной.
Альтернативы темной материи
Темная материя нравится далеко не всем. Некоторые астрономы считают, что законы движения и гравитации, сформулированные Ньютоном и расширенные Эйнштейном, наконец-то нашли свое применение. Если это так, то изменение гравитации, а не какая-то невидимая частица, может объяснить эффекты, приписываемые темной материи.
В 1980-х годах физик Мордехай Милгром предложил пересмотреть второй закон Ньютона (сила=масса x ускорение, f=ma) применительно к галактическим движениям. Его основная идея заключалась в том, что при очень малых ускорениях, соответствующих большим расстояниям, второй закон нарушается. Чтобы заставить его работать лучше, он добавил новую математическую константу в знаменитый закон Ньютона, назвав модификациюMONDилиModified Newtonian Dynamics Потому что Милгром разработал MOND как решение конкретной проблемы, а не как фундаментальный принцип физики, многие астрономы и физики возмущались.
Кроме того, MOND не может объяснить свидетельства существования темной материи, обнаруженные другими методами, не связанными со вторым законом Ньютона, такими как рентгеновская астрономия и гравитационные линзы. Редакция MOND 2004 года, известная какTeVeS(Тензорно-векторно-скалярная гравитация), вводит три разных поля в пространство-время, чтобы заменить одно гравитационное поле. Поскольку TeVeS включает теорию относительности, она может учитывать такие явления, как линзирование. Но это не решило спор. В 2007 году физики проверили второй закон Ньютона вплоть до ускорений 5 x 10-14м/с2 и сообщили, что f=ma выполняется верно без необходимых модификаций (см. Новости Американского института физики: «Второй закон движения Ньютона», 11 апреля 2007 г.), что делает MOND еще менее привлекательным.
Еще другие альтернативы рассматривают темную материю как иллюзию, возникшую в результате квантовой физики. В 2011 году Драган Хайдукович из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) предположил, что пустое пространство заполнено частицами материи и антиматерии, которые противоположны не только электрически, но и гравитационно. При разных гравитационных зарядах частицы вещества и антивещества образовывали бы в пространстве гравитационные диполи. Если бы эти диполи сформировались рядом с галактикой - объектом с массивным гравитационным полем - гравитационные диполи поляризовались бы и усилили гравитационное поле галактики. Это могло бы объяснить гравитационные эффекты темной материи, не требуя никаких новых или экзотических форм материи.
Темная материя и судьба Вселенной
Если темная материя действует как космический клей, астрономы должны быть в состоянии объяснить ее существование с точки зрения господствующей теории формирования Вселенной. Теория большого взрыва утверждает, что ранняя Вселенная претерпела огромное расширение и продолжает расширяться по сей день. Чтобы гравитация сплотила галактики в стены или нити, должно остаться большое количество массы, оставшейся после Большого взрыва, особенно невидимая масса в виде темной материи. Фактически, суперкомпьютерное моделирование формирования Вселенной показывает, что галактики, галактические скопления и более крупные структуры могут в конечном итоге образоваться из скоплений темной материи в ранней Вселенной..
Помимо структуры Вселенной, темная материя может сыграть роль в ее судьбе. Вселенная расширяется, но будет ли она расширяться вечно? Гравитация в конечном итоге определит судьбу расширения, а гравитация зависит от массы Вселенной; в частности, во Вселенной существует критическая плотность массы 10-29г/см3 (эквивалентно нескольким атомам водорода в телефонном стенд), который определяет, что может произойти.
- Замкнутая вселенная - Если фактическая плотность массы больше критической плотности массы, Вселенная будет расширяться, замедляться, останавливаться и схлопываться обратно в «большой хруст».
- Критическая или плоская вселенная - Если фактическая плотность массы равна плотности критической массы, Вселенная будет продолжать расширяться вечно, но скорость расширения будет замедляться все больше и больше с течением времени.. Все во вселенной рано или поздно станет холодным.
- Побережье или открытая вселенная - Если фактическая плотность массы меньше критической плотности массы, Вселенная будет продолжать расширяться без изменения скорости расширения.
Измерения плотности массы должны включать как светлую, так и темную материю. Итак, важно знать, сколько темной материи существует во Вселенной.
Недавние наблюдения за движением далеких сверхновых позволяют предположить, что скорость расширения Вселенной на самом деле увеличивается. Это открывает четвертую возможность, ускоряющуюся вселенную, в которой все галактики будут удаляться друг от друга относительно быстро, и вселенная станет холодной и темной (быстрее, чем в открытой вселенной, но все же порядка десятков миллиардов годы). Что вызывает это ускорение, неизвестно, но его назвали темной энергией. Темная энергия еще более загадочна, чем темная материя - и еще один пример астрономической темноты на окраине города. Возможно, как предполагает Спрингстин, вселенная будет хранить свои тайны очень-очень долго:
У каждого есть секрет, Сонни, Что-то, с чем они просто не могут столкнуться, Некоторые люди проводят всю свою жизнь, пытаясь сохранить это, Они несут это с собой на каждом шагу.
Часто задаваемые вопросы о темной материи
Из чего состоит темная материя?
Астрономы считают более вероятным, что темная материя состоит из совершенно нового типа материи, состоящей из элементарных частиц нового типа. Они известны как вимпы (для слабо взаимодействующих массивных частиц), и если они существуют, то эти частицы имеют массу в десятки или сотни раз больше массы протона, но так слабо взаимодействуют с обычным веществом, что их трудно обнаружить.
Кто открыл темную материю?
В 1932 году голландский астроном Ян Хендрик Оорт заметил, что звезды в окрестностях нашей галактики движутся быстрее, чем предсказывали расчеты. Он использовал термин «темная материя», чтобы описать неизвестную массу, необходимую для того, чтобы вызвать этот всплеск скорости.
Как ученые открыли темную материю?
Когда астрономы начали измерять вращение спиральных галактик в 1950-х и 60-х годах, они сделали загадочное открытие. Они ожидали, что звезды вблизи центра галактики, где видимая материя более сконцентрирована, будут двигаться быстрее, чем звезды на краю. Вместо этого они увидели, что звезды на краю галактики имеют ту же скорость вращения, что и звезды вблизи центра.
Что такое темная энергия?
Недавние наблюдения за движением далеких сверхновых позволяют предположить, что скорость расширения Вселенной на самом деле увеличивается. Что вызывает это ускорение, неизвестно, но его назвали темной энергией. НАСА утверждает, что темная энергия составляет колоссальные 72 процента Вселенной.
Где темная материя?
Астрономы считают, что темная материя может быть обнаружена внутри и между галактиками, причем ее большая концентрация сосредоточена в центральной области галактики.