Общепринятые обозначения «темная материя» и «темная энергия» отражают незнание природы этой невидимой массы. Это сродни первым географическим картам с областями, помеченными как Terra incognita.
Определение состава и свойств «темной материи» – одна из самых насущных задач современной космологии и физики элементарных частиц.
Содержание
Открытие
Обнаруживается темная материя по оказываемому ею гравитационному воздействию (на движение космических объектов).
Абсолютно черное тело, оставшееся от Большого взрыва, излучает энергию со средней температурой 2,725 К, и малые температурные флуктуации этого излучения также свидетельствуют о существовании темной материи.
Английский астрофизик Стивен Хокинг со своим учеником Бернардом Карром выдвинул в 1974 году гипотезу, что в результате Большого взрыва во Вселенной образовалось и существует до настоящего времени большое количество первобытных черных дыр, в которых и сосредоточена вся темная материя.
В статистической механике существует теорема вириала, позволяющая вычислять среднюю полную кинетическую энергию не поддающихся точному решению очень сложных систем.
Цвикки успешно применил данную теорему к скоплению галактик Кома в созвездии Волосы Вероники, и получил свидетельство существования невидимой массы. Общая масса скопления, по Цвикки, оказалась в 400 раз больше, чем традиционная оценка массы на основе числа галактик и яркости скопления.
Важным источником информации для изучения темной материи являются галактики со слабой поверхностной яркостью, в которых соотношение видимой и темной материи наиболее низкое. Наличие нескольких ярких звезд в центре таких галактик облегчает изучение скорости движения периферийных звезд.
Эта скорость, или, вернее, зависимость скорости вращения звезд от их расстояния до центра галактики, не объясняется одной видимой материей, что также свидетельствует о наличии невидимой дополнительной массы.
Альтернативное средство обнаружения – гравитационное линзирование
Важным независимым свидетельством существования темной материи и средством ее обнаружения является гравитационное линзирование. Любое массивное тело (как видимая, так и невидимая материя) изменяет своим гравитационным полем направление распространения электромагнитного излучения, действуя подобно линзе в отношении луча света.
Гравитационное линзирование в свое время предсказал немецкий физик-теоретик А. Эйнштейн, создатель общей теории относительности.
При сильном линзировании изображения фоновых галактик, наблюдаемые через гравитационную линзу, искажаются. По деформации изображения оценивается масса вызвавшего его кластера, с подтверждением наличия темной материи.
Данный эффект подтвердил космический телескоп «Хаббл», измерив искажение формы скопления галактик Абель 1689, состоящего из тысяч галактик, окутанных облаком горячего газа, с количеством темной материи, эквивалентным более чем 1014 солнц. В центре этого скопления находится огромная галактика эллиптической формы, которая, как считается, образовалась из объединения множества меньших галактик.
Состав
Из чего темная материя сложена и что входит в ее состав, в данное время неизвестно.
Но на эту роль предложен ряд кандидатов:
- нейтрино, обычные и тяжелые;
- гипотетические слабовзаимодействующие массивные частицы Вимп;
- аксионы, гипотетические нейтральные псевдоскалярные элементарные частицы (кванты поля);
- массивные компактные гало-объекты (карликовые звезды и планеты);
- несветящиеся газовые облака.
Нейтрино очень привлекательны как кандидат в темную материю, поскольку имеют очень маленькую массу, и не взаимодействуют посредством электромагнитных или сильных ядерных сил. Однако нейтринные ограничения показывают, что обычные нейтрино будут вносить лишь небольшой вклад в наличную плотность темной материи.
Наибольшей популярностью в данное время пользуются модели, в которых темная материя сложена из элементарных частиц, определяемых как «небарионная темная материя».
Эти частицы отличны от обычных частиц (электронов, протонов, нейтронов и известных нейтрино). Наиболее распространенными предполагаемыми частицами являются аксионы, стерильные нейтрино и Вимп (включая нейтралино).
Распределение во Вселенной
Плотность наблюдаемой материи составляет порядка 5% от плотности, оцененной по гравитационным эффектам. Плотность обычных барионов и излучения составляет около 1 атома водорода на кубометр пространства. Из оставшихся 95% 23% приходится на темную материю, и 72% на диффузно распределенную в пространстве темную энергию.
Но на наблюдаемые звезды, галактики и межзвездный газ приходится менее половины барионов, а оставшиеся барионы распределены по образующим паутину во Вселенной газообразным нитям малой плотности, в узлах которых и находятся скопления галактик.
Доказательства существования сети филаментов, вдоль которых выстраиваются галактики, были обнаружены в мае 2008 года космическим рентгеновским телескопом XMM-Newton, созданным Европейским Космическим Агентством совместно с НАСА.
Есть области, где темная материя представлена в незначительном количестве или вообще отсутствует.
В шаровых скоплениях нет признаков содержания темной материи, хотя их орбитальные взаимодействия с галактиками свидетельствуют о наличии галактической темной материи.
В течение некоторого времени измерения диапазона скоростей звезд указывали на концентрацию темной материи в галактическом диске Млечного Пути.
Однако вскоре выяснилось, что результаты измерений могут быть объяснены высокой концентраций барионной материи в галактическом диске (особенно в межзвездной среде).
Считается, что профили массы галактик сильно отличаются от профилей видимого света.
В 2005 году астрономы из Кардиффского университета в Великобритании объявили об открытии галактики, удаленной на 50 миллионах световых лет от скопления Девы (находящегося на расстоянии от 49 до 72 миллиардов световых лет от Земли), и состоящего почти полностью из темной материи. Необычно то, что эта галактика не содержит видимых звезд: она была замечена по радиоизлучению водорода.
В её существование верят не все ученые
В августе 2006 года было сообщено об обнаружении темной материи на расстоянии 3,4 миллиарда световых лет от Земли в скоплении галактик Пуля, представляющем собой столкнувшиеся 150 миллионов лет назад два отдельных скопления.
Но именно на скопление Пуля ссылаются противники существования темной материи. По результатам компьютерной симуляции, наблюдаемая скорость столкновения скоплений 3000 км/с слишком маловероятна, чтобы объяснить ее наличием темной материи, и скопление Пуля стало доказательством в пользу теории измененной гравитации голландского физика-теоретика Эрика Верлинде. Но на теорию измененной гравитации больше ссылаются популярные СМИ, чем серьезные ученые.
Роль в космологических моделях
Без темной материи трудно обосновать космологическую модель Большого взрыва. Так, для объяснения крупномасштабной структуры Вселенной необходимо присутствие значительного количества холодной небарионной материи.
Темная материя действует как уплотнитель структур при их иерархическом формировании во Вселенной, объединении мелких структур в галактики, а галактик в скопления.
Без темной материи барионная материя обладала бы слишком высокой температурой и подвергалась бы слишком большому давлению, чтобы подвергнуться в результате гравитационной неустойчивости (неустойчивости Джинса) разрушению и образовать более мелкие структуры, подобные звездам.
Оценки количества темной материи во Вселенной, произведенные различными методами, сходятся к близким значениям, и без признания ее существования не удается объяснить структуру Вселенной и теорию Большого взрыва.
Вопросы и ответы
Теория измененной гравитации Верлинде позволяет обойтись без понятия темной материи.
Темная материя, по современным оценкам, составляет 95% общей массы Вселенной.
Темная материя обнаруживается по ее гравитационному воздействию на движение космических объектов.
Согласно Хокингу, вся темная материя Вселенной сосредоточена в первобытных черных дырах.
Подобное предположение впервые выдвинул швейцарский астрофизик Цвикки.
Согласно наиболее распространенной точке зрения, темная материя состоит из особых элементарных частиц.
