Варяг

Тёмная материя: скандальная знаменитость современной физики

«Пойди туда, не знаю куда, принеси то, не знаю что», — эта фраза из известной сказки довольно-таки неплохо описывает ситуацию, в которой оказалась современная физика в связи с теорией о существовании тёмной материи.

Определение: тёмная материя — это особая форма материи, не взаимодействующая с электромагнитным излучением, и потому невидимая для привычных средств наблюдения. Предполагается, что основная масса вещества во Вселенной представлена именно тёмной материей. При этом мы не знаем, что представляет собой тёмная материя и, по большому счёту, не имеем доказательств того, что она вообще существует, хотя теория о её существовании позволяет нам объяснить некоторые вещи, которые иначе мы объяснить не можем (или не хотим).




Всё началось ещё в 60-е, когда у нас появились достаточно мощные телескопы, с помощью которых учёные начали изучать удалённые галактики. И то, что они узнавали, было... странно.

Например, оказалось, что звёзды в удалённых от центра частях галактик вращаются вокруг этих центров не так, как должны были. По формулам выходило, что, по мере удаления от центра галактики, мы должны были видеть, что скорость вращения звёзд быстро падает. А это оказывалось не так. Создавалось впечатление, как будто галактика на самом деле куда больше, чем область, занятая звёздами и межзвёздным газом.



Скорости вращения звёзд в галактиках в зависимости от расстояния от центра: ожидание (красная линия) и реальность (зелёная линия)
Скорости вращения звёзд в галактиках в зависимости от расстояния от центра: ожидание (красная линия) и реальность (зелёная линия)

Потом стали смотреть на системы галактик, где, к примеру, меньшие галактики вращаются вокруг более крупных. И, когда мы стали изучать траектории их движения, то эти траектории оказались такими, как если бы масса галактик была куда больше, чем суммарная масса звёзд и межзвёздного газа, который мы наблюдали.

Были и другие наблюдения, которые чётко показывали: или наши формулы врут, или, кроме известных видов материи, в галактиках есть что-то ещё, чего мы не видим, причём масса этого «чего-то ещё» примерно в 5 раз больше чем масса обычного вещества.

Вот эту вот необычную материю назвали тёмной. Хотя это не слишком точный термин: наверное, правильнее было бы назвать её прозрачной, или невидимой.

Что делает обычную материю видимой? Её взаимодействие со светом (шире — электромагнитным излучением, лишь небольшой частью спектра которого является видимый свет). Звёзды мы видим потому, что они этот свет излучают. Газопылевые облака — потому что они его рассеивают (так мы видим тучи на небе). Но что же это за материя такая, которая не излучает и не поглощает свет? Это было что-то такое, с чем мы раньше не имели дела. Нечто новое, чего не должно было существовать согласно нашим представлениям о природе материи.



Звёзды и освещённые их светом газопылевые облака
Звёзды и освещённые их светом газопылевые облака

Точнее, было пару идей, которые в теории позволяли объяснить наличие невидимой массы без экзотических гипотез.

К примеру, чёрные дыры. Они ничего не излучают (если не считать гипотетического излучения Хокинга, которое можно не считать, ибо оно для чёрных дыр известных масс слишком слабо для того, чтобы мы могли его зафиксировать) и не рассеивают, а поглощают весь свет, который могут «поймать». Проще говоря, обычная чёрная дыра принципиально невидима, но при этом может содержать значительную массу.

Есть и другие объекты, которые обладают очень низкой для своих масс светимостью — например, нейтронные звёзды и белые карлики (остатки уже сгоревших звёзд) или коричневые карлики — недозвёзды, недостаточно тяжёлые для того, чтобы загореться. В теории, недостающая масса действительно, казалось, могла быть сосредоточенной в таких объектах, если бы эти объекты были достаточно многочисленными — не то чтобы совсем невидимых, но недостаточно ярких для того, чтобы мы могли из разглядеть при нашем уровне технологий. Это было бы удобно: можно было бы решить проблему скрытой массы, не переписывая физику элементарных частиц.

Однако расчёты показывают, что это, вероятно, не так. На это указывает химический состав наблюдаемой Вселенной.

Самым простым веществом во Вселенной является водород, ядро которого содержит 1 протон. Проще говоря, свободный протон — готовое ядро атома водорода. При определённых условиях (высокая температура и давление) из этих «протоядер» могут образовываться более сложные структуры: например, дейтерий (1 протон + 1 нейтрон), гелий-2 (2 протона), тритий (1 протон, 2 нейтрона), гелий-3 (2 протона, 1 нейтрон) и так далее. Подобные процессы создания ядер, или ядерного синтеза (нуклеосинтеза) идут, например, в ядрах звёзд.

Однако в первые минуты существования Вселенной вся она была достаточно плотной и горячей для нуклеосинтеза. И из первичного протонно-нейтронного супа в ней спонтанно образовывались простейшие элементы, в первую очередь гелий. Длилось это, повторимся, минуты, и поэтому поучаствовать в нуклеосинтезе успела лишь малая часть изначальных протонов. Потом Вселенная расширилась, сделалась менее плотной и горячей, условия для нуклеосинтеза пропали. В итоге мы имеем Вселенную, где 75% приходится на водород, 25% — на гелий, 1% — на всё остальное. Именно столько, сколько и должно быть согласно нашим представлениям о том, как было дело во времена Большого Взрыва — это, кстати, один из крупных успехов данной теории.

Так вот. Если бы тёмная материя была обычной протонно-нейтронной материей, то её было бы, как мы уже говорили выше, примерно в 5 раз больше. Соответственно, начальная Вселенная была бы в 5 раз плотнее, и условия для первичного нуклеосинтеза поддерживались бы в ней дольше. А значит, большая часть атомов водорода (одиночных протонов) успела бы поучаствовать в первичном нуклеосинтезе, и у нас было бы меньше водорода и больше более сложных атомов. Но их ровно столько, сколько есть.

То есть, недостающая материя скорее всего состоит не из протонов и нейтронов. А из чего тогда?

Хороший вариант — нейтрино. Это такие крошечные частички, не участвующие в ядерных превращениях и не имеющие электрического заряда, то есть, игнорирующие также электромагнетизм. Это как раз то, что нам надо — идеальный или почти идеальный кандидат на роль тёмной материи, также не ломающий наши представления о мире элементарных частиц.



Простенький детектор нейтрино. Ах да, эта хреновина ещё и расположена в 2 км под земной поверхностью)))
Простенький детектор нейтрино. Ах да, эта хреновина ещё и расположена в 2 км под земной поверхностью)))

И снова не получается.

Нейтрино — очень лёгкие (настолько лёгкие, что мы пока так и не можем их толком взвесить). И для того, чтобы они смогли сыграть роль тёмной материи, их должно бы быть очень много. Наши эксперименты показывают, что такого количества нейтрино в природе попросту не существует. То есть, снова мимо.

«Хорошие» кандидаты на роль тёмной материи, то есть такие, которые вписываются в наши теории о том, какие вообще бывают элементарные частицы, закончились. Начались «плохие» — те, ради которых эти теории придётся либо расширять, либо нафиг переписывать заново.

Самый «гуманный» вариант — так называемые тяжёлые нейтрино. Сегодня нам известны три типа (поколения) нейтрино. Быть может, есть ещё и четвёртое, более тяжёлое? В теории тяжёлые нейтрино четвёртого поколения могут иметь достаточную массу для того, чтобы быть той самой тёмной материей.

Но есть две проблемы.

1. Никто и никогда в глаза не видел тяжёлое нейтрино. Пока что у нас нет, собственно, никаких доказательств того, что они вообще существуют.

2. Если окажется, что они всё-таки существуют, то у нас начнутся сложности. Ведь не только нейтрино, но и другие типы элементарных частиц (кварки, заряженные лептоны) имеют три поколения. Наличие нейтрино четвёртого поколения либо заставит нас предположить, что и у других частиц поколений должно быть четыре, либо объяснить, почему их нет. То есть, описывающую весь «зоопарк» элементарных частиц Стандартную модель придётся существенно доработать или переработать.

Другое дело, что существуют и другие достаточно веские причины думать, что Стандартная модель не полностью описывает архитектуру мира элементарных частиц, и что за пределами Стандартной модели есть что-то ещё. И потом: если это не так, то где же «прячется» недостающая масса?

Впрочем, некоторые учёные полагают, что, возможно, и нигде. Они, в частности, указывают на то, что у нас пока нет ни одного свидетельства влияния тёмной материи на процессы в нашей Солнечной системе. А ведь в ней тоже должна быть куча тёмной материи — вообще говоря, в пять раз больше, чем материи обычной, в виде Солнца, планет, астероидов и тому подобного. И мы должны были бы её «чувствовать». А мы «не чувствуем».

Противники существования тёмной материи говорят следующее.

Мы сделали гипотезу о её существовании на том основании, что галактики ведут себя не так, как показывает наша теория гравитации (Общая теория относительности Эйнштейна). Но, возможно, это происходит не оттого, что во Вселенной есть скрытая масса, а потому, что наши уравнения, вообще говоря, не совсем верны.

Действительно, долгое время физики работали в условиях, когда отлично работала предыдущая теория гравитации — теория всемирного тяготения Ньютона. Она отлично описывает процессы на Земле и даже за её пределами — к примеру, в системе Земля-Луна. Проблемы начались тогда, когда мы стали интересоваться процессами в масштабах уже Солнечной системы. И, когда теория стала показывать расхождение с экспериментом, нам пришлось усовершенствовать теорию гравитации, создав, собственно, Общую теорию относительности. Она, в свою очередь, прекрасно работает на звёздных и межзвёздных масштабах — но что если галактические и межгалактические масштабы для неё уже слишком велики?



Крупномасштабная "карта" Вселенной. Светящиеся точки - галактики и их плотные скопления. Просто для понимания масштаба проблемы.
Крупномасштабная "карта" Вселенной. Светящиеся точки - галактики и их плотные скопления. Просто для понимания масштаба проблемы.

Сегодня в мире есть ряд альтернативных теорий гравитации, которые вроде бы (!) позволяют хорошо объяснить странности поведения галактик без введения тёмной материи. Правда, пока эти теории расходятся с экспериментальными данными в других областях, но быть может это просто потому, что эти теории пока недостаточно хороши, и нам всего лишь нужно копать глубже? Исключать этого до конца не может никто. Так что — да: вполне возможно, что никакой тёмной материи и нет вовсе. Пока мы не уверены до конца. Но мы работаем над этим.
Юрий Ткачев
.



Tags:

Recent Posts from This Journal

promo varjag2007su february 18, 14:57 8
Buy for 100 tokens
Друзья и читатели моего блога! Вы все знаете, что все годы существования моего блога мой заработок не был связан с ЖЖ. Т.е. я не была связана и не имела никаких обязательств материального характера ни перед какими политическими силами и различными группами, кроме дружеских уз и благодарности…
Здравствуйте!
Система категоризации Живого Журнала посчитала, что вашу запись можно отнести к категории: Наука.
Если вы считаете, что система ошиблась — напишите об этом в ответе на этот комментарий. Ваша обратная связь поможет сделать систему точнее.
Фрэнк,
команда ЖЖ.
Здравствуйте! Ваша запись попала в топ-25 популярных записей LiveJournal для Украины. Подробнее о рейтинге читайте в Справке.