Охота за темной материей - как физики ищут загадочный гравитационный "клей" нашей Вселенной
Если вам вдруг, чисто случайно, доведется в ближайшем году посетить Антарктиду, вы можете наблюдать необычное зрелище. Оторвав свой взор от пингвинов, возможно, вы заметите нечто необычное, парящий в небе воздушный шар размером со стадион. И вот как раз под ним проводится новый безумно интересный эксперимент, направленный на поиск самой удивительной штуки, которую когда-либо выдумывали ученые, - темной материи. В поисках темной материи исследователи, что только не делают: начиная с закапывания чанов с ксеноном глубоко под землю и заканчивая отправкой воздушного шара в небо Антарктиды. Но когда же окупятся их творческие порывы?
Мы считаем, что около 85 процентов материи во Вселенной — это экзотические частицы, которые не отражают, не излучают и не поглощают свет, поэтому их и называют темной материей. Единственная сила, с которой эта гипотетическая материя, насколько можно судить, взаимодействует, — это гравитация, что делает ее невероятно сложной для обнаружения. "Когда я выступала с докладами на эту тему в 80-х годах прошлого века, я говорила людям: "О, мы разберемся с этой проблемой в течение 10 лет", - говорит Кэтрин Фриз, астрофизик из Техасского университета в Остине. "Но прошло несколько десятилетий, а мы все еще ждем. Очевидно, что эта задачка гораздо сложнее, чем мы думали".
реклама
Перед лицом этой суровой реальности охотники за темной материей становятся все более изобретательными. Попытки выяснить, из чего она состоит, предпринимались в течение многих лет. Ученые закапывали емкости с жидким ксеноном глубоко под землю, измеряли прямолинейность молний, планировали обнаружить наноразмерные взрывы в минералах, исследовали древние породы на предмет следов темной материи и изучали наблюдения космического телескопа Джеймса Уэбба в поисках "темных звезд". В связи с этим возникает вопрос: не являются ли некоторые идеи по поиску темной материи слишком уж долгосрочными? И в какой момент стоит отказаться от поисков?
Первые намеки на то, что во Вселенной присутствует нечто "темное", появились в 30-х годах прошлого века, когда астрономы заметили кое-что странное. Например, некоторые галактические кластеры вращались гораздо быстрее, чем положено. При таких скоростях вращения, исходя из нашего понимания гравитации и динамики, некоторые составляющих галактических скоплений должны были бы разлететься в глубины космоса. И тем не менее они продолжали сохранять свою целостность. Тогда, американский астрофизик швейцарского происхождения Фриц Цвикки предположил, что существует некая материя, которую мы не можем обнаружить. Она то и удерживает все на своих местах.
Поиски "темной материи" Цвикки так и не увенчались успехом, отчасти потому, что за его утверждениями стояло множество сомнительных гипотез. Однако все изменилось в 1970 году, когда Вера Рубин и Кент Форд из Научного института Карнеги в Вашингтоне сделали удивительное открытие в галактике Андромеды. Ученые обратили внимание на небольшую "вариацию" наблюдения Цвикки: звезды в галактике вращались вокруг ее центра быстрее, чем ожидалось. Они должны были разлететься, но, опять же, что-то удерживало их на месте.
![]() |
На расстоянии 13,2 миллиарда световых лет обнаружена самая древняя черная дыра, ровесница Вселенной |
реклама
Вот с этого момента и началась охота за темной материей. Рубин утверждала, что мы выясним, что именно представляет собой этот странный галактический "клей", в течение ближайших десяти лет. Однако наступил 1980 год, но ученые не сдвинулись с места. В 1999 году английский королевский астроном Мартин Риис снова предрек, что мы отыщем темную материю в течение десятилетия. Но опять ничего не вышло. "Моя уверенность в том, что мы быстро установим природу темной материи, была, конечно, неуместной, - говорит Риз. Сегодня мы все еще не знаем, как устроена темная материя.
MACHO и вимпы
Спустя десятилетия после предсказания Риса удалось исключить несколько потенциальных кандидатов. Изучение ранней Вселенной помогло ученым понять, что она не состоит из массивных планет или черных дыр, известных как массивные компактные объекты гало, или MACHO. Если бы это было так, мы бы наверняка увидели, как эти объекты предсказуемым образом изгибают космический свет.
Большую часть последних 40 лет физики занимались поиском другого кандидата в темную материю: слабо взаимодействующей массивной частицы (вимп или WIMP). Это частицы, не существующие в стандартной модели - нашем лучшем на сегодняшний день понимании сил и частиц, из которых состоят самые фундаментальные строительные блоки природы.
Казалось бы, ВИМПы наделены всеми теми качествами, которыми обладает темная материя. Кроме того, они предположительно могли находиться в пределах досягаемости специально построенных детекторов, если бы на их пути случилось столкновение с атомным ядром. Если бы ВИМП нанес по ядру достаточно сильный удар, то выделившаяся в результате этой реакции энергия высвободилась бы в виде вспышки света, которую мы могли бы заметить.
реклама
Охота за темной материей: Загадочный гравитационный "клей" нашей Вселенной. XENON1T ищет признаки ВИМПов в резервуарах с жидким ксеноном. Коррьери-Де Перио/Laboratori Nazionali del Gran Sasso - INFN
Жидкий ксенон
Для обнаружения требуется большое количество крупных атомных ядер. По этой причине физики начали проектировать и строить детекторы. Как правило, они представляли собой огромные резервуары со сверхохлажденным жидким ксеноном, "всегда готовым к ударпам со стороны WIMP". Подобные эксперименты до сих пор считаются наиболее оптимальным вариантом для обнаружения темной материи. Самый последний из них - детектор DARWIN. Он будет работать в лаборатории Гран-Сассо в Италии и использовать 50 тонн жидкого ксенона. Напомним, что мировое производство ксенона составляет около 70 тонн в год.
Но тут тоже нет никаких гарантий. Во-первых, большинство потенциальных масс, с которыми могут существовать ВИМПы, уже исключены. Если бы вимпы были тяжелыми, мы бы уже давно обнаружили их в подземных резервуарах или как продукт столкновения протонов в Большом адронном коллайдере под Женевой (Швейцария).
Проблема с ВИМПами заключается в том, что чем они легче, тем сложнее их обнаружить. Большинство существующих методов обнаружения в основном зависят от того, чтобы WIMP имели некую минимальную массу, примерно равную массе 10 электронов. "[Детекторы] находятся под землей и ждут, когда частица темной материи ударится об атом ксенона и заставит его колебаться", - говорит Мартин Бауэр из Даремского университета (Великобритания). "Но если эта частица слишком легкая, атом ксенона может не отреагировать". В этом случае физики столкнулись с другой проблемой. Нейтрино, излучаемые Солнцем, проносятся через Землю триллионами ежесекундно. Они также оставят в ксеноне следы, которые невозможно будет отличить от следов легких ВИМПов. "Нет никакого способа защититься от солнечных нейтрино, - говорит Бауэр.
реклама
В качестве альтернативы можно попытаться заглянуть в глубокое прошлое. Возможно, это будет самое впечатляющее сочетание археологии и астрономии. Идея проста. ВИМПы могли, хотя бы изредка, выбивать атомное ядро с места в кристалле каменной соли или эпсомита глубоко в мантии Земли. Если бы это произошло, то относительно новые технологии, в том числе рентгеновская или гелий-ионная пучковая микроскопия, смогли бы увидеть эти изменения в виде крошечных, характерных следов в древних породах.
Охота за темной материей уже началась. "Геофизики подсказали нам, какие породы следует исследовать", - говорит Фриз. "Мы провели расчеты, чтобы выяснить, сколько породы нужно, чтобы увидеть четкий след от темной материи, и оказалось, что не так уж и много". Как только камни будут извлечены, исследователям, занимающимся "палеодетекцией" темной материи, придется действовать очень быстро, потому что космические лучи начнут оставлять в их структуре похожие наноразмерные следы. Но их все равно можно будет отличить от следов, оставленных вимпами, и следов, образованных продуктами распада урана в природе.
![]() |
Моделирование показало, что пролетающая мимо звезда может выбросить нашу планету из Солнечной системы |
Фриз, в отличие от других, очень нравится охота за темной материей, которой она занимается уже несколько десятилетий, рассчитывая, как могут быть обнаружены различные виды частиц. "Конечно, немного грустно от того, что никто ничего так и не обнаружил. Однако те расчеты, которые мы проводили, были самыми простыми", - говорит она. "Я не сдаюсь. На самом деле, все это очень увлекательно".
Некоторые исследователи пытаются найти альтернативные гипотетические частицы, такие как аксион. В отличие от ВИМПов, аксионы не были "придуманы" в рамках поисков темной материи. Впервые они были предложены в 1970-х для решения проблемы СР-инвариантности. Однако аксионы, по мнению ученых, должны обладать свойствами, которые ассоциируются с темной материей. А в экспериментальном плане их поиск — это фактически чистый лист. Единственный эксперимент, который сейчас проводится, направлен на преобразование аксионов в микроволновые фотоны с помощью сильного магнитного поля. Правда, сейчас прорабатываются и другие подходы, например, изучение света от Солнца или влияние аксионов на магнитометры.
Темные фотоны и темные звезды
Другие ученые ищут темный эквивалент для каждой частицы стандартной модели. В поисках этого "темного сектора" исследователи начали обстреливать мишени высокоинтенсивными электронными пучками в надежде, что начнут испускать, допустим, "темные фотоны". "Он будет лишен массы, так что это будет не совсем темная материя, но он расскажет нам о том, что темный сектор действительно существует. И это заставит нас искать другие темные частицы. Многие специалисты работают над темным сектором", - говорит Фриз. "Многие вещи, такие как темные фотоны, не так уж и далеки от реальности".
Но частицы - не единственные кандидаты. Фриз также занимается поиском "темных звезд" - сгустков темной материи, которые могли сформироваться в ранней Вселенной. Одна из гипотез гласит, что при взаимодействии частиц темной материи они аннигилируют. Если бы темная материя хоть немного взаимодействовала сама с собой, это позволило бы высвободить достаточно энергии для зарождения звезд задолго до появления привычных нам светил. В прошлом году Фриз и ее коллеги опубликовали статью, в которой сообщили, что приборы космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), возможно, смогут нам показать эти звезды. Из-за своей удаленности от нас в расширяющейся Вселенной их свет будет казаться более красным, чем у менее древних звезд. JWST уже нашел довольно много ярких объектов с высоким красным смещением. Как только мы получим их спектры, мы сможем узнать о них что-то новое", - говорит она. "По мере поступления данных мы попробуем выяснить, а вдруг это темная звезда?"
Массивный астрофизический компактный объект гало (MACHO) - это вид астрономического тела, потенциально способный объяснить существование темной материи в гало галактик. MACHO - это тело, которое почти не испускает излучения и дрейфует в межзвездном пространстве. Оно не связано с какой-либо планетарной системой (и может состоять или не состоять из обычной барионной материи). Концепция художника. Массивный астрофизический компактный объект гало Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Б. Сакстон (NRAO/AUI/NSF)
Очевидно, таких возможностей великое множество. Однако для некоторых тот факт, что "в ход идет практически все", является признаком того, что вся эта затея - "охота на дикого гуся" (английский фразеологизм, означающий погоню за чем-то недостижимым, не дающимся в руки) См. раздел "Это тупик?" ниже. "Нельзя постоянно менять цели", - говорит Стейси Макгоу из Университета Кейс Вестерн Резерв в Огайо. "Должен быть определенный момент, когда вы поймете, что сделали все, что смогли, и теперь следует остановиться". Макгоу отказалась от теории темной материи несколько десятилетий назад. Сегодня она работает над идеей, что аномалии вращения галактик можно объяснить другими способами.
Переосмысление гравитации
Макгоу является сторонницей так называемой модифицированной ньютоновской динамики (MOND) - спорной гипотезы, предлагающей переписать законы гравитации. Один из способов сделать это - изменить уравнение ньютоновского закона всемирного тяготения таким образом, чтобы оно учитывало силу гравитационного притяжения между двумя массами в космологических масштабах. Макгоу утверждает, что во многих случаях эта теория лучше согласуется с данными наблюдений, чем темная материя. Самое главное, говорит ученый, что эта теория обладает предсказательной силой. "Вы можете посмотреть на галактику, понаблюдать за распределением ее массы и с помощью MOND предсказать, как все вокруг движется", - говорит МакГау. "С темной материей так не получится".
Большинство астрофизиков отвергают эту идею. "Они так и не продемонстрировали, ни одного доказательства, объясняющего все основные наблюдения, которые у нас есть", - говорит Кэтрин Зурек из Калифорнийского технологического института. По ее словам, эта идея не способна объяснить особенности радиационного излучения, оставшегося после большого взрыва (так называемый космический микроволновый фон). "Вы просто не можете получить все это из теории MOND".
Макгау признает, что MOND не объясняет все наблюдаемые нами явления, но, по ее словам, ученые добились некоторых успехов в изучении темной материи. Например, недавно JWST обнаружил старые галактики, которые гораздо ярче, чем должны быть согласно стандартной космологической теории. В 1998 году, отмечает Макгау, Роберт Сандерс из Гронингенского университета в Нидерландах обнаружил, что в результате изменения гравитации яркие галактики образовались очень рано в истории Вселенной - всего через 500 миллионов лет после Большого взрыва. "Именно это мы сейчас и наблюдаем", - утверждает Макгау.
![]() |
К центру нашей Галактики на скорости 400 км/с приближается сфероидальный звездный кластер |
Однако многие ученые еще не готовы отказаться от версии с темной материей. Возможно, мы исключили несколько потенциальных вариантов, говорит Риис, но многие еще остались. "Шансы на то, что темная материя состоит из каких-то пока еще необнаруженных частиц, не сильно уменьшились".
Возможно, антарктический дирижабль обнаружит антипротоны - эквивалент протонов в антиматерии - в потоке космических лучей, которые устремляются к Земле из космоса. Модели темного сектора темной материи прогнозируют существование низкоэнергетических антипротонов в этих потоках частиц, поэтому любые находки во время запланированной серии полетов станут интересным событием.
Даже если ничего не удастся обнаружить, стоит отметить, что поиск темной материи - относительно "маломасштабное предприятие". Мы тратим на него гораздо меньше, чем на исследования в области физики высоких энергий или квантовых вычислений, говорит Зурек. "К тому же мы многому научились", - говорит она. "Это научило нас не быть столь догматичными в отношении того, как должна вести себя природа. Понимание этого помогает и успокаивает".
Никто не может точно сказать, как и когда темная материя проявит себя в конце концов. Впрочем, Зурек довольно спокойно к этому относится. "Думаю, нам в конце концов повезет", - говорит она. "Но, если мы не будем искать, мы ее точно не найдем".
Ученые считают, что темная материя пронизывает всю нашу Вселенную - так почему же мы до сих пор ее не обнаружили? И почему мы вдруг решили, что она существует?
Это тупик?
Некоторые поиски темной материи продолжаются, но другие, похоже, закончились неудачей. Вот несколько подобных примеров.
Seasonal Flashes - Сезонные колебания темпов регистрации частиц
Ученые, участвующие в итальянском эксперименте под названием DAMA/LIBRA, утверждают, что заметили сезонный сигнал: вспышки от их кристаллов происходят чаще в июне, чем в декабре. Они утверждают, что это может быть результатом взаимодействия темной материи, интенсивность которого меняется по мере обращения Земли вокруг Солнца. Однако, по мнению других физиков, есть веские причины сомневаться в этом заключении. В частности, исследователи до сих пор не опубликовали полученные результаты для независимого изучения. К тому же другая команда ученых недавно продемонстрировала, что к сезонным сигналам могла привести ошибка в расчетах.
Нанобомбы
Альтернативой емкостям с жидким ксеноном для обнаружения частиц темной материи являются нано-бомбы, которые могут быть взорваны темной материей. В 2014 году Алехандро Лопес-Суарес из Мичиганского университета и его коллеги сообщили, что нанометровый кусочек металла должен нагреться, если в него попадут гипотетические частицы темной материи -так называемые вимпы. Если поместить металл в оксидный минерал, то тепло вызовет термитную реакцию - крошечный, но вполне различимый взрыв. Однако испытания этой концепции так и не были профинансированы.
"Прямолинейные молнии"
Натаниэль Старкман из Университета Торонто (Канада) и его коллеги считают, что темная материя может проявить себя в разрядах молний. Согласно этой теории, темная материя представляет собой необычные скопления "обычных" частиц, таких как кварки и глюоны, составляющие атомные ядра. В ранней Вселенной они могли объединиться в небольшие плотные сгустки, и сегодня, возможно они "носятся" по космосу. Если бы они попали в нашу атмосферу, то ионизировали бы все молекулы, с которыми столкнулись. Если бы это произошло во время грозы, мы возможно увидели не обычные ломаные, а прямолинейные молнии. Когда эта гипотеза была впервые предложена в 2021 году, никто еще не наблюдал таких явлений. Затем, в феврале 2022 года, команда с разместила в Интернете предварительную версию статьи о возможном наблюдении прямолинейных молний. К сожалению, все оказалось не столь однозначно, как казалось на первый взгляд, и статья была удалена.
Лента материалов
Соблюдение Правил конференции строго обязательно!
Флуд, флейм и оффтоп преследуются по всей строгости закона!
Комментарии, содержащие оскорбления, нецензурные выражения (в т.ч. замаскированный мат), экстремистские высказывания, рекламу и спам, удаляются независимо от содержимого, а к их авторам могут применяться меры вплоть до запрета написания комментариев и, в случае написания комментария через социальные сети, жалобы в администрацию данной сети.
Комментарии Правила