Что такое темная материя и как ученые за ней охотятся

Александр Гайдамашко

Основные тезисы

Темная материя составляет около 27% Вселенной и обнаруживается через гравитационное воздействие на видимое вещество, но напрямую наблюдать ее невозможно.
Ученые используют различные методы для изучения темной материи, включая наблюдения за гравитационным линзированием и сигналами в подземных лабораториях.

Темная материя Вселенной – что это такое и как ученые пытаются ее обнаружить

Темная материя Вселенной: загадочное вещество, которое никто не видел / Freepik

Темная материя составляет около 27% всего, что есть во Вселенной, но до сих пор остается одной из самых больших загадок астрофизики. Эта гипотетическая форма вещества не излучает, не поглощает и не отражает свет, поэтому наблюдать за ней невозможно. Ученые предполагают ее существование благодаря гравитационному воздействию на видимое вещество, галактики и реликтовое излучение.

Что такое темная материя и когда о ней впервые заговорили?

Концепцию темной материи создали в 1930-х годах, когда швейцарский астроном Фриц Цвикки заметил необычное явление: далекие галактики вращаются гораздо быстрее, чем это позволяет их видимая масса. Это наблюдение положило начало гипотезе о существовании невидимого вещества, которое оказывает мощное гравитационное воздействие на галактики. Без темной материи галактики просто развалились бы, а звезды полетели бы в космос, ведь именно эта субстанция удерживает их вместе, пишет 24 Канал.

Исследователи установили, что темная материя в пять раз распространеннее обычной барионной материи, из которой состоят звезды, планеты и все, что мы видим вокруг. Она не участвует в электромагнитном взаимодействии и сильном ядерном взаимодействии, поэтому обнаружить ее можно исключительно по гравитационным эффектам. Темная материя создает своеобразный гравитационный "каркас", на котором формируются галактики и скопления галактик, определяя структуру Вселенной.

Существует несколько основных теорий относительно природы частиц темной материи. Самой популярной является гипотеза о так называемых WIMP – массивные частицы, слабо взаимодействующие (Weakly Interacting Massive Particle). К ним относятся, в частности, нейтралино, предсказанные теорией суперсимметрии (не путать с нейтрино).

Как ищут темную материю?

Ученые используют различные методы поиска темной материи. Один из подходов заключается в наблюдении за тем, как гравитация темной материи изгибает свет, проходящий сквозь нее, подобно космической призме. Например, команда из Национальной астрономической обсерватории Японии исследует эти перекосы и колебания, чтобы создать первую карту распределения темной материи во Вселенной.

Другой метод предусматривает использование подземных лабораторий, где ученые пытаются зафиксировать сигналы от частиц темной материи. В декабре 2024 года международная команда исследователей объявила о прорыве в подземной лаборатории в США, где они зафиксировали сигналы, ведущие себя подобно темной материи на ранее неисследованных энергетических уровнях.

Ученые сосредоточились на поиске WIMP с массой от пяти до десяти гигаэлектронвольт на квадрат скорости света – диапазоне, который ранее почти не изучали из-за технических ограничений. С помощью космического телескопа "Ферми" исследователи также обнаружили мощное гамма-излучение, исходящее из "галоподобной" структуры вокруг Млечного Пути, что может быть первым прямым доказательством существования темной материи.

Как с этим всем связана темная энергия?

Темная энергия - это гипотетическая форма энергии в космологии, которая имеет отрицательное давление и равномерно заполняет все пространство Вселенной. По своей сути, это таинственная сила, которая вызывает ускоренное расширение Вселенной. Она составляет около 70% всего, что существует во Вселенной.

Темная энергия равномерно распределена во всей Вселенной. Она заполняет все пространство космоса, словно жидкость, и присутствует везде одинаково. По некоторым теориям, темная энергия является фундаментальной, постоянно присутствующей фоновой энергией в космосе, известной как энергия вакуума.

Как проявляется темная энергия?

Темная энергия проявляется через несколько уникальных свойств:

Ускоренное расширение Вселенной: ее основной эффект заключается в том, что она способствует ускоренному расширению Вселенной, что можно измерить наблюдениями, основанными на законе Хаббла.
Антигравитационный эффект: благодаря отрицательному давлению темная энергия порождает отталкивание или антигравитацию, то есть "расталкивает" сама себя.
Постоянная плотность: она имеет постоянную плотность, которая не меняется во времени, хотя новые исследования предполагают, что ее плотность таки может уменьшаться со временем.

Функции темной энергии

Основная функция темной энергии заключается в управлении динамикой расширения Вселенной. Она действует как движущая сила, противодействующая гравитационному притяжению и заставляет галактики удаляться друг от друга с ускорением. Согласно общей теории относительности, отрицательное давление темной энергии порождает отталкивающую гравитацию, которая способствует расширению пространства.

Новые исследования предполагают, что темная энергия может связывать наименьшие квантовые масштабы (длину Планка) с наибольшими космологическими масштабами (размером Вселенной), что имеет фундаментальное значение для понимания природы пространства-времени.