Где остальная Вселенная?

Большая часть Вселенной состоит из «материи», которую нельзя увидеть, возможно, нематериальной, и взаимодействует с другими вещами только через силу гравитации. Ах, да, и физики не знают, что это за материя или почему ее так много во Вселенной — около четырех пятых своей массы.

Ученые называют ее темной материей.

Так где же этот таинственная материя, которая составляет такой огромный кусок нашей Вселенной, и когда ученые обнаружат ее?

Откуда мы знаем, что эта материя существует

Гипотезу темной материи впервые выдвинул швейцарский астроном Фриц Цвикки в 1930-х годах,  когда понял, что его измерения масс скоплений галактик показали некоторую часть массы во Вселенной «пропавшую без вести». Что бы ни делало галактики тяжелее, оно не испускает никакого света, ни взаимодействует ни с чем другим, кроме как через гравитацию.

Астроном Вера Рубин, в 1970-х годах, обнаружила, что вращение галактик не следует Закону движения Ньютона; звезды в галактиках (в частности Андромеда), казалось, вращаются вокруг центра с одинаковой скоростью, но те что дальше от звезды движутся медленнее. Словно что-то добавляет массу к внешней части галактики, что никто не мог видеть.

Остальные доказательства пришли из гравитационного линзирования, которое происходит, когда тяжесть крупного объекта изгибает световые волны вокруг объекта. Согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна, гравитация искривляет пространство (как борец сумо может деформировать мат, на котором он стоит), так что световые лучи огибают крупные объекты, хотя свет сам по себе является безмассовым. Наблюдения показали, что там не было достаточно видимой массы, чтобы согнуть свет, как это было огибая отдельные скопления галактик — другими словами, галактики были более массивными, чем они должны быть.

Тогда есть реликтовое излучение (СМВ), «эхо» Большого взрыва и сверхновых звезд. «СМВ говорит о том, что Вселенная пространственно плоская,» — сказал Джейсон Кумар, профессор физики в университете Гавайи. «Пространственно плоская» означает, что если провести две линии через вселенную, они никогда не пересекутся, даже если эти линии были на расстоянии миллиардов световых лет в поперечнике. В круто изогнутой Вселенной, эти линии будут встречаться в какой-то точке пространства.

Сейчас идет небольшой спор среди космологов и астрономов, существует ли темная материя. Она не влияет на свет, и она не заряжена, как электроны или протоны. До сих пор она ускользает от прямого обнаружения.

«Это тайна», — сказал Кумар. Может есть способы, которыми ученые пытались «увидеть» темную материю – либо через её взаимодействие с обычным веществами, либо через поиск частиц, которыми могла бы стать темная материя.

Чем темная материя не является

Много теорий пришли и ушли относительно того, какова темная материя. Одна из первых была достаточно логичныой: вопрос был скрыт в массивных астрофизических компактных объектах гало (MACHO), таких как нейтронные звезды, черные дыры, коричневые карлики и планеты-изгои. Они не излучают свет (или они выделяют его очень мало), поэтому они практически невидимы для телескопов.

Тем не менее, исследования галактик в поисках небольших искажений в свете звезд, производимых MACHO, проходя мимо — называемые микролинзированием — не могли бы объяснить количества темной материи вокруг галактик, или даже значительной ее части. «MACHO, кажутся столь же исключенными как всегда» — сказал Дэн Хупер, ассоциированный научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории Ферми в штате Иллинойс.

Темная материя не представляется облаком газа, которое в телескопы не увидеть. Диффузный газ будет поглощать свет от галактик, которые находятся дальше, и на вершине, что обычный газ будет переизлучать излучения на больших длинах волн – будет громадное излучение инфракрасного света в небе. Поскольку это не происходит, мы можем это исключить.

Чем это может быть

Слабо взаимодействующие массивные частицы (вимпы),  являются одними из самых сильных соперников для объяснения темной материи. Вимпы — тяжелые частицы — примерно от 10 до 100 раз тяжелее протона, которые были созданы во время Большого взрыва, и остались в небольших количествах сегодня. Эти частицы взаимодействуют с нормальной материей через гравитацию и слабые ядерные силы. Более массивные вимпы будут двигаться медленнее сквозь пространство, и поэтому могут быть кандидатами «холодной» темной материи, в то время как более легкие будут двигаться быстрее, и быть кандидатами «теплой» темной материи.

Один из способов найти их — путем «прямого обнаружения», как, например, эксперимент Large Underground Xenon (LUX), который является контейнером жидкого ксенона в шахте Южной Дакоты.

Другой способ увидеть вимпы может быть ускорителем частиц. Внутри ускорителей атомные ядра разбиваются со скоростью близкой к скорости света, и в процессе эта энергия столкновения превращается в другие частицы, некоторые из них оказываются новыми для науки. Пока в ускорителях частиц не обнаружено ничего, что выглядит как предполагаемая темная материя.

Другая возможность: аксионы. Эти субатомные частицы могли быть обнаружены косвенно видами излучения, которое они испускают, как они уничтожают или как они затухают в другие виды частиц или появляются в ускорителях частиц. Однако, никакого прямого доказательства аксионов, также нет.

Начиная с обнаружения тяжелых, медленных «холодных» частиц, как вимпы или аксионы, еще не привело к результатам, некоторые ученые смотрят на возможность легких, быстрее движущихся частиц, которые они вызывают «теплой» темной материей. Был возобновившийся интерес к такой модели темной материи после того, как ученые нашли доказательство неизвестной частицы, используя Обсерваторию Рентгеновского луча Чандра, в кластере Персея, группе галактик приблизительно 250 миллионов световых лет от Земли. Известные ионы в этом кластере производят определенные линии излучения рентгеновских лучей, а в 2014 году, ученые увидели новую «линию», которая может соответствовать неизвестной легкой частице.

Если частицы темной материи легкие, ученным предстоит трудное время, чтобы обнаружить их непосредственно, сказала Трейси Слатер, физик из Массачусетского технологического института. Она предложила новые виды частиц, которые могут составлять темную материю.

«Темную материю с массой ниже приблизительно 1 ГэВ действительно трудно обнаружить со стандартными прямыми экспериментами обнаружения, потому что они работают, ища необъясненные отдачи атомарных ядер …, но когда темная материя намного легче, чем атомарное ядро, энергия отдачи очень маленькая», — сказала Трейси Слатер.

В поисках темной материи было сделано много исследований, и если нынешние методы не помогают, будут проводится новые. Используя «жидкий» жидкий гелий, полупроводники и даже разрыв химических связей в кристаллах —  являются одними из новых идей по обнаружению темной материи.