Що приховує темна матерія і чому вчені до цих пір не змогли довести її існування

У питаннях, що стосуються природи і властивостей темної матерії, астрономи досі перебувають на початковому етапі

вивчення, в першу чергу, тому що реальність її існування досі не доведена.

Теорія про існування цієї субстанції булависунута більше 40 років тому в якості пояснення невідповідності між масою всіх видимих ​​об'єктів в галактиці з масою самої галактики. Астроном Віра Рубін, яка вперше виявила невідповідність, визначила, що ця невидима субстанція вкрай поширена, і з неї складається велика частина Всесвіту. Сьогодні ми знаємо цю субстанцію як темну матерію.

Віра Рубін. Фото: Carnegie Institution for Science / carnegiescience.edu

Хоча у астрономів є щонайменше тридокази того, що темна матерія існує, жодна зі спроб виявити прямий доказ її існування і визначити її властивості успіхом не увінчалася.

Однак робота вчених з Єльського університету вчолі з Пітером ван Доккум, опублікована в журналі Nature в березні 2018 року, як ніколи раніше наблизила вчених до виявлення ще одного доказу існування цієї субстанції.

Що астрономам відомо про темну матерію?

Темна матерія - субстанція, що невзаємодіє з іншими матеріями за допомогою електромагнітних (EM) або сильних ядерних сил. Відсутність електромагнітних взаємодій означає, що вона не може випускати, поглинати, відбивати, заломлювати або розсіювати світло. Це, природно, робить її досить складним предметом для спостережень. Проте, близько 85% всього речовини у Всесвіті є темну матерію.

Поки у вчених немає жодного практичного докази того, що темна матерія дійсно існує, але є теоретичні. Ось три головних.

Галактичні криві обертання

Коли один об'єкт обертається навколо іншого,об'єкт на орбіті повинен постійно прискорюватися до центрального (або, точніше, вони обидва прискорюються до їх об'єднаному центру мас). Без цього прискорення орбітальне тіло просто полетить.

Чим швидше рухається орбітальне тіло, тимбільше прискорення потрібно, щоб утримати його на орбіті. Оскільки в цьому випадку прискорення відбувається через сили тяжіння, це означає, що центральна маса повинна бути більше.

Це знання дозволяє вченим «зважувати» різнічастини галактики, а також вимірювати швидкості обертання, порівнюючи червоні зсуви на наближення і віддаляється сторонах галактики. При зважуванні астрономи бачать невідповідність між масою всіх об'єктів в галактиці і її загальною масою.

червоне зміщення - зрушення спектральних ліній хімічних елементів вчервону (довгохвильову) сторону. Це явище може бути вираженням слабкої дифузного розсіяння, ефекту Доплера або гравітаційного червоного зсуву, або їх комбінацією. Вперше зрушення спектральних ліній в спектрах небесних тіл описав французький фізик Іполит Фізо в 1848 році і запропонував для пояснення зсуву ефект Доплера, викликаний променевої швидкістю зірки.

гравітаційне лінзування

Відповідно до загальної теорії відносності, всякийраз, коли світло проходить через гравітаційне поле, він злегка спотворюється. Це діє як гравітаційна лінза і може виробляти, наприклад, «кільця Ейнштейна», як на зображенні нижче.

Загальна теорія відносності Ейнштейна говорить,що гравітація настільки великих космічних об'єктів, як галактики, викривляє простір навколо себе і відхиляє промені світла. При цьому виникає спотворене зображення іншої галактики - джерела світла.

«Кільце Ейнштейна» на зображенні вище - цеспотворене зображення однієї галактики (вона підсвічена синім), розташованої за одною (червоною) галактикою в центрі. Світло від синьої поширюється в усіх напрямках, але згинається гравітацією червоною галактики. Це означає, що світло, який, наприклад, був від початку спрямований прямо на Землю, ніколи не досягне нашої планети - на відміну від світла, який мав інший напрямок, але спотворився лінзою і виходить ніби з усіх напрямків відразу. Цей процес пояснює появу кільця.

У слабких гравітаційних лінзах статистичнийаналіз спотворень в світлі, який ми отримуємо, дозволяє «помітити» гравітаційне поле між Землею і далекими галактиками. Часто в цьому полі виявляється більше маси - відповідно, і більше матерії, - ніж вчені можуть пояснити.

Приклад гравітаційного лінзування, яке з точки зору існуючої теорії доводить наявність темної матерії, - фотографія скупчення галактик Куля, розташованого в сузір'ї Кіля.

На знімку зображені наслідки зіткнення двох галактик. Червоним на зображенні показані області видимої матерії, синім - темна матерія, наявність якої визначено гравітаційним лінзуванням.

Настільки виразне поділ пояснюється тим, щовелика частина речовини, що світиться в скупченні галактик знаходиться під внутрікластерной середовищі - в гарячій, щільній плазмі. Коли частини плазми стикаються один з одним, значна кількість речовини сповільнюється і залишається в центрі. Але темна матерія слабо взаємодіє з речовиною, тому її компоненти з двох кластерів можуть вільно проходити один через одного - це призводить до зображеного на фотографії поділу.

реліктове випромінювання

Протягом перших декількох сотень тисяч років післяВеликого вибуху Всесвіт був досить гарячою, щоб сильно іонізуватися. Це на час робило її майже непрозорою для світла - фотони оберталися, як і будь-яка інша частка. Однак, коли все досить охололи, значні кількості протонів і електронів об'єдналися в нейтральний водень, який став досить прозорий для більшої частини навколишнього його світу. Це процес відбувся досить швидко (з точки зору космологічного часу) - в результаті весь світ, що міститься у Всесвіті, умовно кажучи, раптово був випущений назовні, зробивши знімок на тому етапі її еволюції. Так спрощено можна описати реліктове випромінювання.

Щоб зафіксувати цей світ, вчені можутьнаправити радіотелескопи в будь-якому напрямку - і в залежності від області спостережень температура буде трохи змінюватися. Різниця в температурі пояснюється наявністю або відсутністю темної матерії в цій області.

Що незвичайного знайшли в першій галактиці?

DF2 - галактика, яка входить у велику групуна чолі з масивної еліптичною галактикою NGC 1052. Галактика привернула увагу вчених тим, що вона виглядала по-різному на фотографіях, зроблених апаратами Dragonfly і Sloan Digital Sky Survey (SDSS). На першому галактика була пляма слабкого світла, тоді як на другому - групу точкових об'єктів.

На основі цих спостережень вчені на чолі зПітером ван Доккум визначили десять кульових скупчень (великі групи старих зірок) всередині галактики і виявили, що вони рухаються в три рази повільніше, ніж при наявності великої кількості темної матерії. Справа в тому, що якби маса була галактики була більша за масу видимих ​​об'єктів, скупчення оберталися швидше.

Наукове співтовариство оцінило публікацію критично- в якості помилки дослідників називалося те, що вони спостерігали лише за десятьма скупченнями і тільки протягом двох ночей. Скептики вважають, що вчені могли випустити з уваги ключові деталі руху зоряних скупчень, і це в результаті спотворило їх оцінку маси галактики і її видимої матерії.

А в другій?

Єдиним способом довести правильність своїхспостережень став пошук другої галактики, в якій містилося б мінімальну кількість темної матерії - і в березні 2019 року таку галактика була виявлена.

Дослідники опублікували дві наукові статті - впершій вони повторно виміряли масу DF2 за допомогою вдосконаленої камери «Хаббла» і десятиметрового телескопа обсерваторії Кека на Гаваях. На цей раз астрономи спостерігали не тільки за швидкістю руху скупчень, але і за швидкістю обертання зірок усередині них. В результаті вчені встановили, що DF2 є прозорою ультрадіффузной галактикою, розмір якої приблизно відповідає Чумацькому шляху. Тільки зірок в ній виявилося приблизно в 200 разів менше.

Друга стаття була присвячена відкриттю подібноїDF2 галактики - DF4, яка знаходиться в тому ж скупченні поруч з галактикою NGC 1052. Дослідники вважають, що, по-перше, галактики з мінімальною кількістю темної матерії - не рідкість, і, по-друге, що велика галактика могла «вкрасти» темну матерію у своїх дрібніших сусідів.

Як відсутність темної матерії може служити доказом її наявності?

Для розуміння твердження, що відсутність темноїматерії в двох галактиках підтверджує її наявність у Всесвіті відповідно до Спільної теорією відносності, варто розглянути критику ідеї про наявність темної матерії.

Частина вчених не згодна з тим, що у Всесвітііснує темна матерія, а теоретичні свідоцтва її наявності приписують так званій модифікованій ньютонівської динаміці (MOND). Ця альтернативна теорія говорить, що гравітація в космічних масштабах працює не так, як передбачили Ісаак Ньютон або Альберт Ейнштейн. Це означає, що Загальна теорія відносності, на якій будуються теорії про існування темної матерії, у випадку з галактиками не працює.

Наприклад, фізик-теоретик Ерік Верліндена зАмстердамського університету в 2016 році опублікував наукову статтю, в якій розглянув гравітацію як побічний продукт квантових взаємодій і припустив, що додаткова гравітація, приписувана темної матерії, є ефектом темної енергії - фонової енергії, вплетеною в тканину простору-часу Всесвіту.

Іншими словами, Верліндена вважає, що темна матерія - не матюкаються, а лише взаємодія між звичайною матерією і темною енергією.

Відкриття вчених з Єльського університетудемонструє, що темна матерія може бути відділена від звичайної - за умови, що обидві виявлені галактики поводяться відповідно до стандартної теорією гравітації. Тобто відбуваються в них процеси можна пояснити за допомогою рівнянь, відкритих Ньютоном і Кеплером.

Які залишилися питання

Відкриття астрономів, якщо його вдастьсяостаточно підтвердити в ході майбутніх спостережень, кидає виклик існуючій теорії про формування галактик. Зокрема, мова йде про припущення, що більша NGC 1052 могла «вкрасти» темну матерію у DF2 і DF4. Якщо це дійсно можливо за умови збереження впорядкованості, яка спостерігається в обох спостережуваних галактиках, то астрономам доведеться повністю переглянути механізм формування і існування їх.

«Ми сподіваємося з'ясувати, наскільки поширеніці галактики і чи існують вони в інших областях Всесвіту. Хочемо знайти більше доказів, які допоможуть нам зрозуміти, як їх властивості узгоджуються або не узгоджуються з нашими нинішніми теоріями. Ми сподіваємося, що це дозволить зробити ще один крок в розумінні однією з найбільших загадок в нашій всесвіту - природи темної матерії », - розповів Доккум в розмові з Astronomy.