За последние 30 лет физики использовали все имеющиеся в их распоряжении средства – от мощных телескопов до гигантских подземных экспериментов и коллайдеров частиц, чтобы каким-то образом наблюдать таинственную темную материю, которая, как считается, составляет 85% всей материи во Вселенной и не поддается прямому наблюдению, так как не вступает в электромагнитное взаимодействие.
Исследователи судят о ее существовании исходя из гравитационного воздействия, которое темная материя оказывает на движение звезд или галактик. По мнению группы исследователей из Калифорнийского университета в Риверсайде, дополнительное измерение в пространстве-времени может скрывать в себе. Наша наблюдаемая вселенная имеет три измерения пространства и, как полагают авторы нового исследования, может существовать четвертое измерение, о котором знают только темные силы. Физики полагают, что некоторые невидимые частицы темной материи взаимодействуют с другими невидимыми частицами таким образом, что эти вторые частицы ведут себя не так, как другие, проходя через дополнительное измерение.
Результаты нового исследования показали, что темная материя может быть скрыта в неизвестном измерении.
Эта таинственная материя
Материя в том виде, в каком мы ее знаем – атомы, звезды, планеты, деревья, камни и мы – составляет менее 5% известной Вселенной. Остальное остается загадкой. Астрономы и космологи считают, что около 25% нашей Вселенной состоит из чего—то, называемого темной материей, а остальное – около 70% – из темной энергии. Темная материя не взаимодействует со светом, поэтому увидеть ее нельзя. Единственная причина, по которой мы можем судить о ее существовании, заключается в том, что она взаимодействует с гравитацией.
По сути, гравитации, создаваемой видимой массой галактик и скоплений, недостаточно, чтобы удерживать их вместе – должна присутствовать какая-то дополнительная масса, чтобы создать необходимую дополнительную гравитацию. Без темной материи звезды, вероятно, были бы разбросаны по всей Вселенной. Галактик, включая наш Млечный Путь, а следовательно, и нас, не существовало бы.
Темная материя не взаимодействует со светом, поэтому мы не можем ее видеть.
Новая теория, возможно, наконец позволит ученым объяснить существование таинственной темной материи. Результаты нового исследования предполагают, что темная материя может быть скрыта в дополнительном измерении пространства-времени, все еще недоступном для нас.
Четвертое измерение
Новое исследование, разработанное в Калифорнийском университете в Риверсайде и опубликованное в журнале Journal of High Energy Physics volume физики высокой энергии, предполагает, что темная материя скрыта в дополнительном измерении пространства-времени.
Согласно этой теории, некоторые частицы темной материи не ведут себя как известные частицы, потому что они взаимодействуют с другими, еще более невидимыми частицами, принадлежащими к другому измерению – что и препятствуют их прямому наблюдению.
Ведущий автор нового исследования Филипп Танедо объясняет в своем заявлении, что эти скрытые темные силы могут управлять взаимодействиями, происходящими в лоне темной материи.
Cкрытые темные силы могут управлять взаимодействиями, происходящими в самом сердце таинственной темной материи.
Он добавляет, что эти темные силы математически описываются теорией с дополнительными размерами: они появляются как континуум частиц, которые могут прояснить аномалии, наблюдаемые в небольших галактиках. Это означает, что темная материя ведет себя по-разному в небольших галактиках, где она оказывает очень сильное притяжение на себя.
Такое поведение, как показывают предыдущие исследования, связано с тем, что три дополнительных измерения, в дополнение к трем пространственным, к которым мы привыкли, изменяют эффекты гравитации на очень коротких расстояниях. Эти астрономические наблюдения темной материи, как отмечают в журнале Nature, дают первые потенциальные доказательства существования дополнительных измерений.
«Наша наблюдаемая Вселенная имеет три пространственных измерения. Мы предполагаем, что может существовать четвертое измерение, о котором знают только темные силы. Дополнительное измерение может объяснить, почему темная материя так хорошо скрывается от наших попыток изучить ее в лаборатории», – объясняет Танедо.
С момента своего появления теория струн пережила разные времена.
Он считает, что теории, которые постулируют существование нового типа силы, до сих пор неизвестного науке, могут объяснить свойства темной материи. Между тем, ключевой особенностью сверхпрочной теории является то, что сила между частицами темной материи описывается бесконечным числом различных частиц с разными массами, называемых континуумом.
В теории Танедо сила этого континуума может воспроизводить звездные движения, наблюдаемые в небольших галактиках. Танедо также предполагает, что сила между частицами темной материи поразительно отличается от сил, регулирующих обычную материю.
Интересно, что существование дополнительных измерений обусловлено, среди прочего, теорией суперструн, согласно которой существует до 11 пространственных измерений. Все больше укрепляется идея о том, что какая-то из них связана с темной материей.
Темная, темная материя …
Распределение масс во Вселенной
Термины темная энергия и темная материя не вполне удачны и представляют собой дословный, но не смысловой перевод с английского. В физическом же смысле данные термины подразумевают, только то, что эти вещества не взаимодействуют с фотонами, и их с таким же успехом можно было бы назвать невидимой или прозрачной материей и энергией.
Тёмная материя в астрономии и космологии, а также в теоретической физике — гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества делает невозможным её прямое наблюдение.
Вывод о существовании тёмной материи сделан на основании многочисленных, согласующихся друг с другом, но косвенных признаков поведения астрофизических объектов и по создаваемым ими гравитационным эффектам. Обнаружение природы тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик.
Давайте узнаем про все это подробнее …
Темная материя и темная энергия — это то, что не видно глазу, однако их присутствие доказано в ходе наблюдений за Вселенной. Миллиарды лет назад наша Вселенная родилась после катастрофического Большого Взрыва. По мере того, как ранняя Вселенная медленно охлаждалась, в ней начала развиваться жизнь. В результате сформировались звезды, галактики и остальные видимые ее части. Размеры нашей Вселенной просто ошеломительны. К примеру, одного Солнца достаточно для освещения и обогрева миллиона планет, аналогичных Земле. При этом Солнце является звездой среднего размера, а одна только наша галактика состоит из 100 миллиардов звезд. Это количество превышает количество песчинок на небольшом пляже. Однако это еще не все.
Как известно, Вселенная состоит из нескольких миллиардов галактик, где существует самая разная материя. Возможно ли, чтобы какая-то из этих материй была невидима глазу. Скорее всего, поскольку результаты недавно проведенных исследований показали, что мы можем видеть лишь десятую часть Вселенной. Значит, более 90% материи человек просто не способен рассмотреть даже с использованием специального оборудования. Астрономы называют такую материю темной.
Известно, что тёмное вещество взаимодействует со «светящимся» (барионным), по крайней мере, гравитационным образом и представляет собой среду со средней космологической плотностью, в несколько раз превышающей плотность барионов. Последние захватываются в гравитационные ямы концентраций тёмной материи. Поэтому, хотя частицы тёмной материи и не взаимодействуют со светом, свет испускается оттуда, где есть тёмное вещество. Это замечательное свойство гравитационной неустойчивости сделало возможным изучение количества, состояния и распределения тёмной материи по наблюдательным данным от радиодиапазона до рентгеновского излучения.
Опубликованное в 2012 году исследование движения более 400 звёзд, расположенных на расстояниях до 13 000 световых лет от Солнца, не нашло свидетельств присутствия тёмной материи в большом объёме пространства вокруг Солнца. Согласно предсказаниям теорий, среднее количество тёмной материи в окрестности Солнца должно было составить примерно 0,5 кг в объёме Земного шара. Однако измерения дали значение 0,00±0,06 кг тёмной материи в этом объёме. Это означает, что попытки зарегистрировать тёмную материю на Земле, например, при редких взаимодействиях частиц тёмной материи с «обычной» материей, вряд ли могут быть успешными.
Согласно опубликованным в марте 2013 года данным наблюдений космической обсерватории «Планк», интерпретированным с учётом стандартной космологической модели Лямбда-CDM, общая масса-энергия наблюдаемой Вселенной состоит на 4,9 % из обычной (барионной) материи, на 26,8 % из тёмной материи и на 68,3 % из тёмной энергии. Таким образом, Вселенная на 95,1 % состоит из тёмной материи и тёмной энергии.
Доказательством существования темной материи является ее тяжесть – сила гравитации, которая, словно клей, сохраняет целостность Вселенной. Все части Вселенной взаимно притягиваются друг к другу. Благодаря этому ученые смогли рассчитать общую массу видимой Вселенной, а также показатели гравитационных сил. В ходе расчетов был выявлен существенный дисбаланс в этих параметрах, что дало основание полагать, что существует некая невидимая материя, обладающая определенной массой и также подверженная воздействию гравитации.
Изучение темной материиКроме того, доказательством существования темной материи стало ее гравитационное влияние на другие объекты, в том числе на траекторию движения звезд и галактик. Было обнаружено, что многие галактики вращаются быстрее, чем ожидалось. Согласно теории гравитации А. Эйнштйна, они должны разлетаться в разные стороны. Однако что-то невидимое будто удерживает их вместе.
Также темная материя может повлиять на траекторию распространения света. Было исследован феномен гравитационного линзирования, который состоит в том, что плотные объекты способны отражать свет дальних объектов, меняя траекторию световых потоков. Это приводит к искажению изображения и возникновению миражей звезд и галактик. Ученые фиксируют эти световые изгибы, но не могут назвать природу этого явления.
Темная материя в нашей Вселенной может существовать в виде массивных астрономический гало-объектов (МАГО). К ним относятся планеты, луны, коричневые и белые карлики, пылевые облака, нейтронные звезды и черные дыры. Как правило, они слишком малы, чтобы их свет был обнаружен человеком, однако их существование может быть вычислено через гравитационное воздействие на световые потоки. В последние годы астрономы обнаружили несколько типов МАГО-объектов. Они могут состоять как из обычных барионных частиц, так и аксинов, нейтринов, вимпилов и суперсимметричной темной материи.
Исследование темной материи и темной энергии
Поскольку интерес к темной материи продолжает расти, появляются новые инструменты, помогающие в получении более обширных представлений об этом таинственном феномене. Так, космический телескоп Хаббл предоставил весьма ценную информацию о размере и массе видимой Вселенной. Эти данные стали первым и очень важным шагом на пути к изучению истинного количество темной материи во Вселенной.
Важно понимать, что устройство Вселенной не является случайным, и с помощью Хаббла можно детально представить ее структуру. Доподлинно известно, что галактики располагаются в кластерах, а эти кластеры — в суперкластерах. Сверхскопления космических тел находятся в губчатой структуре с обширными пустотами. Очевидно, формирование такой структуры обусловлено весьма конкретными причинами. Рентгеновские телескопы, которые имеются в обсерватории Чандра, помогают в изучении огромных облаков горячего газа в этих скоплениях. Ученые выяснили, что в этих областях должна присутствовать и темная материя, иначе газ будет утекать из кластера. Кроме того, в данный момент ведется разработка новых инструментов, которые, в конце концов, помогут разглядеть эту темную сторону Вселенной.
Подходы и методы исследования частиц темной материи
Из чего состоит Вселенная
На данный момент ученые всего мира всячески пытаются обнаружить или получить искусственно в земных условиях частицы темной материи, посредством специально разработанного сверхтехнологичного оборудования и множества различных научно-исследовательских методов, но пока все труды не увенчиваются успехом.
Один из методов связан с проведением экспериментов на ускорителях высокой энергии, широко известных как коллайдеры. Ученые, считая, что частицы темной материи тяжелее протона в 100-1000 раз, предполагают, что они должны будут зарождаться при столкновении обычных частиц, разогнанных до высоких энергий посредством коллайдера. Суть другого метода заключается в регистрации частиц темной материи, находящихся повсюду вокруг нас. Основная сложность регистрации данных частиц состоит в том, что они проявляют очень слабое взаимодействие с обычными частицами, которые по своей сути для них являются как бы прозрачными. И все же частицы темной материи очень редко, но сталкиваются с ядрами атомов, и имеется определенная надежда рано или поздно все же зарегистрировать данное явление.
Существуют и другие подходы и методы исследования частиц темной материи, а какой из них первым приведет к успеху, покажет лишь время, но в любом случае открытие этих новых частиц станет важнейшим научным достижением.
Субстанция, обладающая антигравитацией
Благодаря современным астрономическим методам имеется возможность определить темп расширения Вселенной в настоящее время и смоделировать процесс его изменения ранее во времени. В результате этого получена информация о том, что в данный момент, так же как и в недалеком прошлом, наша Вселенная расширяется, при этом темп этого процесса постоянно увеличивается. Именно поэтому и появилась гипотеза об антигравитации темной энергии, так как обычное гравитационное притяжение оказывало бы замедляющее воздействие на процесс «разбегания галактик», сдерживая скорость расширения Вселенной. Данное явление не противоречит общей теории относительности, но при этом темной энергии необходимо обладать отрицательным давлением – свойством, которым не обладает ни одно из известных на данный момент веществ.
Кандидаты на роль «Темной энергии»
Масса галактик в скоплении Абель 2744 составляет менее 5 процентов от всей его массы. Этот газ настолько горячий, что светит только в рентгеновском диапазоне (красный цвет на этом изображении). Распределение невидимой темной материи (составляющей около 75 процентов от массы этого кластера) окрашено в синий цвет.
Одним из предполагаемых кандидатов на роль темной энергии является вакуум, плотность энергии которого остается неизменной в процессе расширения Вселенной и подтверждает тем самым отрицательное давление вакуума. Другим предполагаемым кандидатом является «квинтэссенция» — неизведанное ранее сверхслабое поле, якобы проходящее через всю Вселенную. Также имеются и другие возможные кандидаты, но не один из них на данный момент так и не поспособствовал получению точного ответа на вопрос: что же такое темная энергия? Но уже сейчас понятно, что темная энергия представляет собой что-то совершенно сверхъестественное, оставаясь главной загадкой фундаментальной физики XXI века.
Публикация:
