Само за комплекса: какво е тъмна материя и къде да я търсим. Мистерията на тъмната материя: това, което детекторът всъщност открива в Италия на 31 октомври е денят на тъмната материя

Тъмната материя не излъчва и не поглъща светлина, практически не взаимодейства с "обикновена" материя, учените все още не са успели да уловят нито една "тъмна" частица. Но без него познатата ни Вселена не би могла да съществува, а дори и ние самите. В Деня на тъмната материя, който се празнува на 31 октомври (физиците са решили, че е точното време да празнуват тъмната и неуловима субстанция), N + 1попита Андрей Дорошкевич, ръководител на катедрата по теоретична астрофизика в Астрокосмическия център на Физическия институт Лебедев, какво е тъмна материя и защо е толкова важна.

N + 1: Колко уверени са учените днес, че тъмната материя наистина съществува?

Андрей Дорошкевич:Основното доказателство са наблюденията на флуктуациите в реликтната радиация, тоест резултатите, получени от космическия кораб WMAP и "" през последните 15 години.

Те измерват с висока точност смущението на температурата на космическия микровълнов фон, тоест реликтното излъчване. Тези смущения са оцелели от ерата на рекомбинацията, когато йонизираният водород се превръща в неутрални атоми.

Тези измервания показаха наличието на флуктуации, много малки, около една десет хилядна от Келвин. Но когато започнаха да сравняват тези данни с теоретичните модели, те откриха важни разлики, които не могат да бъдат обяснени по друг начин освен наличието на тъмна материя. Благодарение на това те успяха да изчислят частта на тъмната и обикновената материя във Вселената с точност в проценти.

Разпределение на материята във Вселената (отляво надясно) преди и след появата на данните от телескопа Планк

Учените са правили много опити да се отърват от невидимата и незабележима тъмна материя, създават теории за модифицираната гравитация, като MOND, които се опитват да обяснят наблюдаваните ефекти. Защо се предпочитат моделите с тъмна материя?

Ситуацията е много проста: съвременната теория на гравитацията на Айнщайн се представя добре в земни мащаби, спътниците летят в строго съответствие с тази теория. И се представя много добре в космологичен мащаб. И всички съвременни модели, които променят гравитацията, не могат да обяснят всичко. Те въвеждат нови константи в закона на Нютон, което дава възможност да се обяснят ефектите от присъствието на тъмна материя на ниво галактики, но пропускат в космологичен мащаб.

Може ли откриването на гравитационните вълни да помогне тук? Може би ще помогне да отхвърлим някои от теориите?

Това, което сега е измерено гравитационни вълние огромен технически, а не научен успех. За съществуването им е известно преди 40 години, когато е открито (косвено) гравитационно излъчване от двоичен пулсар. Наблюденията на гравитационните вълни още веднъж потвърдиха съществуването на черни дупки, въпреки че не се съмнявахме в това преди, но сега имаме повече или по-малко преки доказателства за това.

Формата на ефекта, промените в гравитационните вълни в зависимост от мощността, може да ни даде много полезна информация, но трябва да изчакаме още пет до десет години, докато натрупаме достатъчно данни, за да прецизираме теориите на гравитацията.

Как учените са научили за тъмната материя

Историята на тъмната материя започва през 1933 г., когато астрономът Фриц Цвики изучава разпределението на скоростите на галактиките в купа, разположен в съзвездието Кома Беренис. Той открил, че галактиките в купа се движат твърде бързо и ако се вземе предвид само видимата материя, купът не би могъл да бъде стабилен – галактиките просто биха били разпръснати в различни посоки.

В статия, публикувана на 16 февруари 1933 г., Цвики предполага, че те са били държани заедно от невидимо гравитационно вещество - Dunkle Materie.

Малко по-късно несъответствието между "видимата" маса на галактиките и параметрите на тяхното движение беше потвърдено от други астрономи.

През 1958 г. съветският астрофизик Виктор Амбарцумян предлага свое собствено решение на парадокса на Цвики. Според него галактическите купове не съдържат никаква невидима материя, която да ги държи гравитационно. Ние просто наблюдаваме клъстери, докато се разпадат. Повечето астрономи обаче не приеха това обяснение, тъй като в този случай животът на клъстерите нямаше да бъде повече от един милиард години, а като се има предвид, че животът на Вселената е десет пъти по-дълъг, до днес просто нямаше да останат клъстери .

Конвенционалната мъдрост за тъмната материя е, че тя се състои от WIMPs (WIMPs), масивни частици, които почти не взаимодействат с частици от обикновена материя. Какво може да се каже за техните имоти?

Те имат доста голяма маса - и това е почти всичко, дори не можем да назовем точната маса. Те покриват дълги разстояния без сблъсъци, но смущенията в плътността в тях не намаляват дори в относително малки мащаби - и това е единственото, от което се нуждаем за моделите днес.

Реликтовата радиация ни дава характеристиките на тъмната материя за големи мащаби, за мащабите на галактическите купове. Но за да се „спуснем“ до мащаба на малките галактики, ние сме принудени да използваме теоретични модели.

Самото съществуване на малки галактики предполага, че дори в относително малък мащаб е имало нехомогенности, които са възникнали малко след Големия взрив. Такива нередности могат да избледняват, да се изглаждат, но знаем със сигурност, че те не са избледнели в мащаба на малките галактики. Това предполага, че тези частици от тъмна материя трябва да имат такива свойства, за да продължат тези смущения.

Правилно ли е да се каже, че звездите могат да възникнат само благодарение на тъмната материя?

Не точно. Без тъмна материя галактиките не биха могли да възникнат, а звездите не могат да се образуват извън галактиките. За разлика от тъмната материя, барионите винаги са горещи, те взаимодействат с реликтовата радиация. Следователно те не могат да се събират в звезди, гравитацията на барионите на звездната маса не може да преодолее тяхното налягане.

Частиците тъмна материя действат като невидим цимент, който дърпа бариони в галактиките и след това в тях започва процесът на образуване на звезди. Има шест пъти повече тъмна материя от барионите, тя "насочва", а барионите само я следват.

Ксенонов детектор на частици от тъмна материя XENON1T

Xenon100 сътрудничество

Има ли много тъмна материя около нас?

Има го навсякъде, въпросът е само колко от него. Смята се, че в нашата Галактика масата на тъмната материя е малко по-малко от 10 процента.

Но вече в близост до Галактиката има повече тъмна материя, можем да видим признаци на присъствие както около нашите, така и около другите звездни системи... Разбира се, ние го виждаме благодарение на бариони, наблюдаваме ги и разбираме, че те се „залепват“ там само поради наличието на тъмна материя.

Как учените търсят тъмна материя

От края на 80-те години на миналия век физиците провеждат експерименти дълбоко под земята в опит да уловят сблъсъци на отделни частици тъмна материя. През последните 15 години колективната чувствителност на тези експерименти нараства експоненциално, като се удвоява средно всяка година. Две големи колаборации, XENON и PandaX-II, наскоро пуснаха нови, още по-чувствителни детектори.

Първият от тях построи най-големия в света детектор за тъмна материя XENON1T. Той използва 2000-килограмова мишена с течен ксенон, поставена в резервоар за вода с височина 10 метра. Всичко това се намира под земята на дълбочина от 1,4 километра в Националната лаборатория Гран Сасо (Италия). Устройството PandaX-II е заровено на дълбочина от 2,4 километра в китайската провинция Съчуан и съдържа 584 килограма течен ксенон.

И двата експеримента използват ксенон, тъй като е изключително инертен, което помага да се поддържат ниски нива на шум. В допълнение, ядрата на ксеноновите атоми са относително тежки (съдържат средно 131 нуклона на ядро), което осигурява „по-голяма“ цел за частици от тъмна материя. Ако една от тези частици се сблъска с ядрото на ксенонов атом, тя ще генерира слаба, но забележима светкавица (сцинтилация) и образуването на електрически заряд. Наблюдението дори на малък брой подобни събития може да ни предостави важни данни за природата на тъмната материя.

Досега нито тези, нито други експерименти са успели да открият частици тъмна материя, но това мълчание може да се използва за установяване на горна граница на вероятността от сблъсъци на частици от тъмна материя с обикновени частици.

Могат ли частици от тъмна материя да образуват клъстери като частици от обикновена материя?

Могат, но целият въпрос е каква плътност. От гледна точка на астрофизика и галактики, те са плътни обекти, тяхната плътност е от порядъка на един протон на кубичен сантиметър, а звездите са плътни обекти, с плътност от порядъка на грам на кубичен сантиметър. Но има 24 порядъка на разликата между тях. Обикновено облаците от тъмна материя имат "галактическа" плътност.

Има ли шанс за многобройните търсения на частици от тъмна материя?

Те се опитват да уловят взаимодействията на отделни частици тъмна материя с атоми на обикновената материя, както правят с неутрино. Но е много трудно да ги хванеш и не е факт, че изобщо е възможно.

Телескопът CAST (CERN Axion Solar Telescope) в CERN търси хипотетични частици - аксиони, от които може да се състои тъмната материя.

Може би тъмната материя обикновено се състои от така наречените "огледални" частици, които по принцип могат да бъдат наблюдавани само от тяхната гравитация. Хипотезата за втората "огледална" Вселена беше предложена преди половин век, това е вид удвояване на реалността.

Имаме реални наблюдения само от космологията.

Интервюирано от Сергей Кузнецов

МОСКВА, 31 октомври - РИА Новости, Олга Коленцова.Изчисленията на учените показват, че Вселената е 95% съставена от материя, която все още не е изследвана от хората: 70% е тъмна енергия, а 25% е тъмна материя. Предполага се, че първото е вид поле с ненулева енергия, но второто се състои от частици, които могат да бъдат открити и изследвани. Но не напразно това вещество се нарича латентна маса - търсенето му отнема много време и е придружено от разгорещени дискусии сред физиците. За да представи своите изследвания на обществеността, CERN дори инициира Деня на тъмната материя, който се отбелязва за първи път днес, 31 октомври.

Привържениците на съществуването на тъмна материя дават доста сериозни аргументи, потвърдени от експериментални факти. Признаването му започва през тридесетте години на XX век, когато швейцарският астроном Фриц Цвики измерва скоростта, с която галактиките от купа Кома се движат около общ център. Както знаете, скоростта на движение зависи от масата. Изчисленията на учения показаха, че истинската маса на галактиките трябва да бъде много по-голяма от тази, определена по време на наблюдения с телескопи. Оказа се, че доста голяма част от галактиките просто не се виждат за нас. Следователно, той се състои от материя, която не отразява и не абсорбира светлината.

Второто потвърждение за съществуването на скрита маса е промяната в светлината, когато тя преминава през галактики. Факт е, че всеки обект с маса изкривява праволинейния път на светлинните лъчи. Така тъмната материя ще направи свои собствени промени в светлата картина (образът на отдалечен обект) и ще започне да се различава от картината, която би била създадена само от видимата материя. Има десет доказателства за съществуването на тъмна материя, но двете описани са основните.

Въпреки че доказателствата за съществуването на тъмна материя са достатъчно убедителни, досега никой не е открил и изследвал частиците, от които е съставена. Физиците предполагат, че тази секретност се дължи на две причини. Първото е, че тези частици имат твърде голяма маса (свързана с енергията чрез формулата E = mc²), така че възможностите на съвременните ускорители просто не са достатъчни, за да „създадат“ такава частица. Втората причина е много ниската вероятност за поява на тъмна материя. Може би не можем да го открием именно защото взаимодейства изключително слабо с човешкото тяло и познатите ни частици. Въпреки че тъмната материя е навсякъде (според изчисленията) и нейните частици буквално преминават през нас всяка секунда, ние просто не я усещаме.

Тъмната материя на Вселената "отслабва", твърдят руски физициКоличеството тъмна материя във Вселената е намаляло с около 2-5%, което може да обясни несъответствията в стойностите на някои важни космологични параметри по време на Големия взрив и днес.

За да открият частици от тъмна материя, учените използват детектори, които са разположени под земята, за да сведат до минимум ненужните въздействия. Предполага се, че понякога частиците на тъмната материя все още се сблъскват с атомните ядра, предават им част от импулса, избиват електрони и предизвикват светкавици. Честотата на такива сблъсъци зависи от вероятността за взаимодействие на частици тъмна материя с ядрото, тяхната концентрация и относителна скорост (като се вземе предвид движението на Земята около Слънцето). Но експерименталните групи, дори когато открият някакъв ефект, отричат, че тъмната материя е причинила този отговор на детектора. И само италианската експериментална група DAMA, работеща в подземната лаборатория на Гран Сасо, съобщава за наблюдаваните годишни вариации в скоростта на броене на сигналите, вероятно свързани с движението на Земята през галактическата скрита маса.

В този експеримент броят и енергията на светлинните светкавици вътре в детектора се измерват за няколко години. Изследователите са доказали наличието на слаби (около 2%) годишни колебания в броя на подобни събития.

Въпреки че италианската група е уверена в надеждността на проведените експерименти, мненията на учените по този въпрос са доста противоречиви. Основното слабострезултатите, получени от италианската група - тяхната неповторимост. Например, когато гравитационните вълни бяха открити, те бяха открити от лаборатории по целия свят, като по този начин потвърдиха откритията на други групи. В случая с DAMA ситуацията е различна - никой друг в света не може да се похвали със същите резултати! Разбира се, има вероятност тази група да има по-мощни детектори или свои собствени методи, но тази уникалност на експеримента поражда съмнения относно неговата надеждност сред някои изследователи.

„Все още не е ясно за какво се отнасят данните, събрани в лабораторията на Гран Сасо. Във всеки случай група от Италия предостави положителен резултатвместо да отрича нещо, което вече е сензационно. Сега намерените сигнали трябва да потърсят обяснение. И това е страхотен стимул за развитието на различни теории, включително тези, посветени на създаването на модел на скрита маса. Но дори и учен да се опита да обясни защо получените данни по никакъв начин не са свързани с тъмната материя, това все пак може да бъде нова стъпка в разбирането на природата. Във всеки случай резултат има и трябва да продължим да работим. Но аз лично не мога напълно да се съглася, че е открита тъмна материя "- коментира Константин Белотски, водещ изследовател в катедрата по физика на елементарните частици, НИНУ МИФИ.

Теоретична конструкция във физиката, наречена Стандартен модел, описва взаимодействията на всички елементарни частици, известни на науката. Но това е само 5% от веществото, съществуващо във Вселената, докато останалите 95% имат напълно неизвестна природа. Какво представлява тази хипотетична тъмна материя и как учените се опитват да я открият? За това в рамките на специален проект говори Хайк Акопян, студент от Московския физико-технически институт и служител на катедрата по физика и астрофизика.

Стандартният модел на елементарните частици, окончателно потвърден след откриването на бозона на Хигс, описва фундаменталните взаимодействия (електрослаби и силни) на познатите ни обикновени частици: лептони, кварки и носители на взаимодействия (бозони и глуони). Оказва се обаче, че цялата тази огромна, сложна теория описва само около 5-6% от цялата материя, докато останалата част не се вписва в този модел. Наблюденията на най-ранните моменти от живота на нашата Вселена ни показват, че приблизително 95% от материята, която ни заобикаля, е от напълно непозната природа. С други думи, косвено виждаме присъствието на тази скрита материя поради нейното гравитационно влияние, но все още не сме успели да я уловим директно. Това явление на скрита маса се нарича "тъмна материя".

Съвременната наука, особено космологията, работи според дедуктивния метод на Шерлок Холмс

Сега основният кандидат от групата WISP е аксионът, който възниква в теорията на силното взаимодействие и има много малка маса. Такава частица е способна да се трансформира в двойка фотон-фотон във високи магнитни полета, което дава намеци как да се опитаме да я открием. Експериментът ADMX използва големи камери, които генерират магнитно поле от 80 000 гауса (това е 100 000 пъти земното магнитно поле). На теория такова поле трябва да стимулира разпадането на аксиона в двойка фотон-фотон, която детекторите трябва да уловят. Въпреки многобройните опити, все още не е възможно да се открият WIMPs, аксиони или стерилни неутрино.

По този начин пътувахме през огромен брой различни хипотези, търсейки да обясним странното присъствие на скрита маса, и, изхвърляйки всичко невъзможно с помощта на наблюдения, стигнахме до няколко възможни хипотези, с които вече можем да работим.

Отрицателен резултат в науката също е резултат, тъй като той дава ограничение на различни параметри на частиците, например, премахва диапазона от възможни маси. От година на година все повече и повече наблюдения и експерименти в ускорители дават нови, по-строги ограничения за масата и други параметри на частиците на тъмната материя. Така, изхвърляйки всички невъзможни варианти и стеснявайки кръга от търсения, от ден на ден се доближаваме до разбирането от какво се състои 95% от материята в нашата Вселена.

Изчисленията на учените показват, че Вселената е 95% съставена от материя, която все още не е изследвана от хората: 70% е тъмна енергия, а 25% е тъмна материя. Предполага се, че първото е вид поле с ненулева енергия, но второто се състои от частици, които могат да бъдат открити и изследвани.

Но не напразно това вещество се нарича латентна маса - търсенето му отнема много време и е придружено от разгорещени дискусии сред физиците. За да представи своите изследвания на обществеността, CERN дори инициира Деня на тъмната материя, който се отбелязва за първи път днес, 31 октомври.

Моментна снимка на куп от галактики. Линиите показват "очертанията" на тъмната материя

Детектор за тъмна материя

Въпреки че италианската група е уверена в надеждността на проведените експерименти, мненията на учените по този въпрос са доста противоречиви. Основното слабо място на резултатите, получени от италианската група, е тяхната неповторимост. Например, когато гравитационните вълни бяха открити, те бяха открити от лаборатории по целия свят, като по този начин потвърдиха откритията на други групи. В случая с DAMA ситуацията е различна - никой друг в света не може да се похвали със същите резултати! Разбира се, има вероятност тази група да има по-мощни детектори или свои собствени методи, но тази уникалност на експеримента поражда съмнения относно неговата надеждност сред някои изследователи.

„Все още не е ясно за какво се отнасят данните, събрани в лабораторията на Гран Сасо. Във всеки случай групата от Италия даде положителен резултат, а не отричане на нещо, което вече е сензационно. Сега намерените сигнали трябва да се търсят обяснение. И това е страхотен стимул за развитието на различни теории, включително тези, посветени на създаването на модел на скрита маса. Но дори и учен да се опита да обясни защо получените данни по никакъв начин не са свързани с тъмните материята, тя все още може да се превърне в нова стъпка в разбирането на природата. Във всеки случай резултатът е и ние трябва да продължим да работим. Но аз лично не мога напълно да се съглася, че тъмната материя е открита", коментира Константин Белотски, водещ изследовател в Катедра по физика на елементарните частици, НИЯУ МИФИ.