Те търсят тъмна материя на Земята, под земята и в космоса. Неговите мистериозни частици са невидими за научните инструменти и не се проявяват никъде. Събрана е обаче солидна „доказателствена база“в полза на тяхното съществуване. Имат ли шанс учените някога да открият тъмната материя.
Ключов компонент на Вселената
Частици тъмна материя се раждат малко след Големия взрив, когато Вселената е нажежена до червено плазма. Докато се охлаждали, те образували бучки, които в крайна сметка осигурявали появата на звезди и галактики. Ако плазмата съдържаше само обикновени частици, които изграждат атоми, тогава радиацията ще ги отблъсне една от друга, като не им позволява да образуват никакви структури. Гравитационно обвързаните обекти се появиха достатъчно бързо, което означава, че нещо им помагаше. Някаква масивна субстанция ги задържа. Сега той не взаимодейства по никакъв начин с обикновената материя, не излъчва, следователно не го наблюдаваме по никакви методи.
По този начин учените реконструират еволюцията на Вселената, която би била непълна без участието на тъмната материя. До този извод е стигнал още през 30-те години на миналия век швейцарският астроном Фриц Цвики. Изучавайки купчини галактики, той се чудеше защо те не се разпръскват. В крайна сметка масата на видимите галактики не е достатъчна, за да задържи клъстера. Следователно трябва да има скрита маса. По-късно тази хипотеза намери многобройни потвърждения за аномалиите в скоростите на въртене на галактиките: частите на дисковете далеч от центъра трудно се забавят, както биха направили, ако се състоят само от звезди.
Гравитационната леща позволява индиректно да улови присъствието на скрита маса. Този ефект се създава от две масивни галактики, разположени една зад друга. Светлината от далечна галактика се огъва от гравитационното поле на близката и, както при лещата, се появява нейното изображение. Това дава известна представа за тъмната материя в галактиките, образуващи огромен невидим ореол около тях. Използвайки различни модели, учените изчисляват разпределението на плътността на тъмната материя в ореола и на тази основа правят предположения за структурата.
Отляво - ореол от тъмна материя в галактиката NGC 4555.
Промоционално видео:
Състав на тъмната материя
Физиците са склонни да вярват, че тъмната материя се състои от непознати за нас частици.
„Астрофизичните методи за наблюдение не казват нищо за техните свойства. Възможно е те да не си взаимодействат по никакъв начин, с изключение на гравитационния метод. Може би нито директните експерименти на Земята, нито наблюденията в космоса няма да доведат до нещо. Това винаги трябва да се има предвид “, казва Дмитрий Горбунов, член-кореспондент на Руската академия на науките, главен изследовател на Института за ядрени изследвания на Руската академия на науките пред РИА Новости.
Кандидатите за ролята на тъмни частици включват свръхлеки аксиони, слабо взаимодействащи частици (WIMP) и стерилни неутрино, които помагат да се обясни масата и трептенията на слънчевите неутрино.
„Най-лекото стерилно неутрино може да е частица от тъмна материя. Той не е стабилен, но живее много дълго време. В Галактиката такива частици трябва да се разпаднат до неутрино и фотон. Те се въртят бавно (10-3 пъти скоростта на светлината), така че се очаква пик в рентгеновия диапазон в фотонния спектър “, казва ученият.
Според него в орбита трябва да бъде изпратен добър спектрометър, който да се опита да регистрира подобни събития.
Преди две години Горбунов и колеги моделираха една от хипотезите за нестабилен компонент на тъмната материя, за да обяснят несъответствието в резултатите от експеримента на космическия телескоп Планк, който измерва CMB. Може би това е била грешка или може би индикация за някакво свойство на тъмната материя. Учените предполагат, че тъмното вещество е хетерогенно по състав и част от него не е оцеляло и до днес.
В търсене на тъмни частици
Как да улавяме частици тъмна материя е един от ключовите въпроси във физиката. Много теоретици и експериментатори се опитват да отговорят на него. Начинът на наблюдение зависи от модела, в който са заложени всички свойства на хипотетичната частица. Ако приемем, че тъмната материя е била в равновесие в плазмата на ранната Вселена - а имаше и обикновени частици - това означава, че тя някак си взаимодейства с тях. От всички известни видове взаимодействия, с изключение на гравитационното, най-подходящо е слабото, което се случва по време на бета разпадането на атомно ядро.
„При това предположение, след като първичната плазма се охлади, необходимото количество тъмна материя остава“, обяснява Дмитрий Горбунов.
Въз основа на това тъмните частици могат да бъдат унищожени с образуването на електрон и позитрон. Те търсят следи от тези унищожения, но това при всички случаи е косвено доказателство. Освен това резултатите са доста размити, частиците се отклоняват, летят около Галактиката, унищожават, губят енергия и това, което достига до Земята, е трудно да се различи на фона на космическите лъчи.
Те се опитват да наблюдават тъмни частици директно в подземните детектори на неутрино. Под земята фонът от атмосферните частици намалява, детекторното вещество се охлажда и трябва да изчакате частица тъмна материя да го удари. Тези събития са редки сами по себе си, тъй като частицата, ако си взаимодейства, е слаба. Ударът причинява възбуждане на атома и изблик на енергия, който се записва от детектора.
В същото време е невъзможно безкрайно да се увеличи обемът на детекторното вещество, за да се увеличи вероятността от преминаване на тъмни частици без загуба на чувствителност. Освен това неутрино пречат на сигнала. За да го отрежете, може да се наложи да изградите изцяло нов детектор, за да преминете под този сигнал.
„Необходимо е да се използва откриването на посоката на удара на частиците. Това значително ще потисне фона, защото неутрино летят в посока от Слънцето, а тъмната материя ще удря в други посоки “, уточнява ученият.
Третата посока е създаването на частица от тъмна материя в резултат на сблъсъка на обикновени частици при LHC и други ускорители. За наблюдател тя ще изглежда като фотон, който е отлетял встрани. Според закона за запазване на импулса частица също трябва да излети в другата посока, но няма такава. Значи тя е невидима.
Досега нито един от начините за улавяне на частици тъмна материя не е бил успешен. Дори не е ясно кой от тях е най-перспективен.
Композиция на Вселената / Илюстрация на РИА Новости.
Татяна Пичугина