Tёмная материя — самая загадочная субстанция во Вселенной. О её существовании известно только из астрономических наблюдений. На долю тёмной материи приходится более четверти общей массы Вселенной и около 85 процентов массы всего вещества. Она определяет крупномасштабную структуру космоса, оказывает существенное влияние на движение галактик и изменяет путь, по которому к нам доходит свет от далёких объектов. Однако, несмотря на всё это, мы до сих пор ничего не знаем о её природе. Смогут ли учёные найти ответ?

Откуда мы знаем о тёмной материи?

Ещё в 1920-х годах было установлено, что звёзды в нашей Галактике (Млечном пути) вращаются вокруг её центра значительно быстрее, чем это следует из известных физических законов и видимого количества вещества. Позднее аналогичный эффект был обнаружен и у других галактик. Это означало, что или наши законы неверны, или существует что-то ещё, что скрыто от земных телескопов. Попытки изменить законы неизменно приводили к противоречиям с другими наблюдаемыми фактами, поэтому сейчас практически все учёные сходятся во мнении, что ответ на эту загадку следует искать в поиске скрытого вещества — тёмной материи. Независимые данные о тёмной материи дали нам наблюдения так называемого микроволнового реликтового фона. Дело в том, что ранняя Вселенная представляла собой горячую и чрезвычайно плотную плазму, чем-то напоминающую ту плазму, из которой состоит наше Солнце и другие звёзды. В таком веществе любой испущенный свет тут же поглощался и не мог распространиться на сколько-нибудь далёкое расстояние. Но Вселенная расширялась и охлаждалась, и около 400 тысяч лет после Большого взрыва её температура упала ниже 3000 градусов Кельвина. Это привело к стремительному превращению плазмы в газ: свободно летавшие до того протоны и электроны соединялись в нейтральные атомы водорода. Так вещество Вселенной стало прозрачным, и свет, испущенный в тот момент, начал беспрепятственный полёт сквозь время и пространство. Фото: © wikipedia.org Фото: © wikipedia.org Этот первый древний свет дошёл и до наших времён. Однако из-за расширения Вселенной длина его волн сильно увеличилась, и сейчас он представляет собой слабый микроволновой фон. Его и называют реликтовым излучением. Замечательным является тот факт, что это излучение сохранило в себе, как на фотографии, свойства той Вселенной, в которой оно появилось. Изучая реликтовый фон, мы изучаем Вселенную такой, какой она была более 13 миллиардов лет назад. Существование реликтового фона и его природа были открыты в середине 1960-х годов, а с середины 1980-х годов учёные запускают в космос спутники, чтобы его изучать. Первым был советский РЕЛИКТ-1, а позже полетели американские COBE и WMAP. Последним на сегодняшний день и самым совершенным является спутник миссии "Планк" Европейского космического агентства. Именно он построил самую точную карту реликтового фона. С помощью этой карты астрофизики смогли определить количественный состав Вселенной. Оказалось, что на долю обычной материи — учёные называют её барионной — приходится всего 5% общей массы мироздания, ещё 27% — это тёмная материя, оставшиеся же 68% относятся к ещё одной гипотетической субстанции — тёмной энергии, которая ответственна за наблюдаемое ускоренное расширение нашей Вселенной, но это тема для отдельного разговора.

Из чего состоит тёмная материя?

Вообще говоря, скрытое вещество не обязано состоять из чего-то, что науке неизвестно. Рассматривался, например, вариант, что тёмная материя состоит из практически незаметных для нас нейтрино — легчайших частиц, не имеющих заряда. Однако тогда общая масса нейтрино должна в пять раз превышать массу видимого вещества. Такому огромному количеству нейтрино просто неоткуда взяться. Поэтому реалистичные оценки говорят, что нейтрино в лучшем случае могут объяснить происхождение не более 1% тёмной материи. Одно из первых наблюдений взаимодействия нейтрино в пузырьковой камере. Фото: © wikipedia.org Одно из первых наблюдений взаимодействия нейтрино в пузырьковой камере. Фото: © wikipedia.org Другой известный класс объектов, который мог бы претендовать на роль тёмной материи, — это так называемые массивные компактные объекты гало (Massive Compact Halo Objects, MACHO). В их число входят в основном остатки эволюции звёзд: белые карлики, нейтронные звёзды, а также субзвёздные объекты: коричневые карлики и одиноко блуждающие в космосе планеты. Но эта гипотеза входит в противоречие с другими наблюдениями. Оценки показывают, что на долю MACHO может приходиться не более 20% массы тёмной материи. Остальные 80% должны иметь другую природу. Наконец, наиболее экзотическим объяснением, но также из числа уже известного науке, могло бы быть существование в космосе большого количества чёрных дыр небольшого размера. Такие дыры не могут образоваться в результате эволюции звезд, но могли остаться с тех времён, когда Вселенная была совсем молодой и очень плотной. Эти чёрные дыры можно искать через их гравитационное влияние на другие объекты. Например, они могли бы проявляться через эффект гравитационного микролинзирования: когда чёрная дыра проходит перед источником света, например далёкой звездой, она своей гравитацией немного изгибает световые лучи, идущие от этого источника. И возникает эффект линзы: видимая яркость источника увеличивается. Эффект гравитационного микролинзирования хорошо известен и неоднократно наблюдался. Например, именно этим методом открыты уже около 50 экзопланет. Однако его применение для поиска чёрных дыр небольшой массы в нашей галактике результатов пока не дало, а это значит, что если они и существуют, то их явно слишком мало, чтобы объяснить всю тёмную материю. Фото: © Flickr/Bill Lie Фото: © Flickr/Bill Lie Существуют и совсем экзотические гипотезы, пытающиеся объяснить наблюдаемый недостаток массы в галактиках. Это в первую очередь различные попытки модифицировать законы тяготения на больших расстояниях. Можно упомянуть и топологические дефекты пространства — времени, зависящую от времени гравитационную постоянную и многое другое. Все подобные теории, однако, или плохо согласуются с другими наблюдениями, или вводят слишком смелые гипотезы.

Суперсимметрия и суперпартнёры: вимпы

По этим причинам большинство учёных сейчас считают, что тёмная материя состоит из неких пока неизвестных частиц. Эти частицы, скорее всего, возникли в большом количестве на самой заре жизни Вселенной — меньше чем через полсекунды после Большого взрыва, — и с тех пор летают в пространстве, практически ничем себя не проявляя и образуя своеобразный реликтовый фон тёмной материи. Эти частицы условно называют тёмным сектором частиц, и существует множество предположений, каковы их свойства и, главное, как их искать. Все известные нам частицы объединены учёными в единую схему, которая называется Стандартной моделью. Это чрезвычайно успешная теория. Особенно ярким моментом, подтвердившим её мощь, стало открытие бозона Хиггса, которое было сделано всего несколько лет назад на Большом адронном коллайдере. До этого существование бозона Хиггса было предсказано именно в рамках Стандартной модели, важной частью которой он является. Однако и в Стандартной модели есть логические несостыковки. Чтобы избавиться от них, в конце 1970-х — начале 1980-х годов было предложено немного её расширить. Самым простым и наиболее хорошо изученным расширением является так называемая теория суперсимметрии, или сокращённо SUSY. Эта теория, например, позволяет более естественным образом ввести бозон Хиггса. И, более того, она предсказывает, что его масса должна быть как раз такой, какая была измерена на Большом адронном коллайдере. Моделирование, показывающее появление бозона Хиггса при столкновении двух протонов. Фото: © wikipedia.org Моделирование, показывающее появление бозона Хиггса при столкновении двух протонов. Фото: © wikipedia.org Главным следствием теории суперсимметрии является существование у каждой из известных нам частиц пары — так называемого суперпартнёра. Например, суперпартнёром фотона является фотино, а суперпартнёром электрона — сэлектрон. И вот тут дороги физики элементарных частиц и знаний о тёмной материи пересеклись. Согласно теории SUSY, самая лёгкая из суперчастиц должна слабо взаимодействовать с обычными частицами и при этом быть чрезвычайно стабильной, а это значит, что она является отличным кандидатом на роль частицы тёмной материи. Как обычно бывает, существует несколько версий теории суперсимметрии, но в большинстве из них самой лёгкой частицей является так называемое нейтралино. Это тяжёлая частица с массой как минимум в сто раз больше массы протона. При этом она никак не взаимодействует со светом. Нейтралино относится к более широкому классу частиц, называемых "вимпы" (от английского WIMP — Weakly Interacting Massive Particle — слабо взаимодействующая массивная частица). Это тяжёлые частицы, которые восприимчивы только к двум видам взаимодействия: гравитации и слабому ядерному. Их гравитационное воздействие мы видим по влиянию вимпов на вращение галактик, а слабое ядерное взаимодействие настолько слабо, что может быть замечено только в чрезвычайно тонких экспериментах. Особенно замечательным оказалось то, что из наблюдений можно оценить максимальную силу, с которой частицы тёмной материи могут взаимодействовать с барионным веществом. Другим примером вимпа является суперпартнёр нейтрино — снейтрино. В некоторых суперсимметричных теориях именно он является самой лёгкой частицей. Существуют и более сложные суперсимметричные теории, в которых появляется целая россыпь хороших кандидатов на роль частиц тёмной материи. Однако такие теории чересчур гипотетичны, и всерьёз их обсуждают нечасто.

https://life.ru/t/%D0%BD%D0%B0%D1%83%D0%BA%D0%B0/995311/zamakh_na_rubl_pochiemu_amierikanskii_udar_nie_dostigh_tsieli