Физики объявили о вероятной регистрации частиц темной материи

Темная материя погубит нашу планету



 Какие тайны скрывает загадочная субстанция Вселенной

Количество невидимой субстанции продолжает расти, и в будущем сила гравитации темной материи станет настолько чудовищной, что разорвет даже атомные ядра...

 

Разорвет даже атомные ядра

Итальянские ученые из Национального института ядерной физики в прошлом месяце выступили с шокирующим заявлением. Они объявили, что таинственная темная материя может погубить нашу планету. Правда, произойдет это примерно через 22 миллиарда лет. Причем, погибнет не только Земля, но и вся Вселенная исчезнет в пучине Большого взрыва.

Дело в том, что с каждым годом Земля медленно, но верно удаляется от Солнца. Объяснения причины подобного явления пока не найдено, и итальянцы предположили, что расстояние увеличивается из-за темной материи. По оценкам специалистов, количество невидимой субстанции продолжает расти, и в будущем сила гравитации темной материи станет настолько чудовищной, что разорвет даже атомные ядра. И по подсчетам ученых, произойдет это светопреставление именно через 22 миллиарда лет.

Конечно, многие, увидев дату такого отдаленного будущего, могут дальше не читать. Что беспокоиться о том, что произойдет тогда, когда нас на свете не будет? Однако истории известны случаи, когда ученые с прогнозами сильно ошибались. Ведь даже футурологи слишком погружены в современную культуру, в «здесь и сейчас». Так, например, в 1873 году британские футурологи, откликнувшись на растущую популярность конных экипажей, спрогнозировали, что к 1961 году вся Англия покроется метровым слоем конского навоза. Мы не можем отрешиться от действительности. В наших прогнозах даже инопланетяне похожи на нас, хотя почему бы им не выглядеть иначе?

Так и с темной материи, которую называют главной загадкой фундаментальной физики XXI века, до сих пор не все ясно. Выдвигаются теории, что помимо темной материи, есть еще и темная энергия.

Мало того, в последнее время появились даже крамольные предположения, что ничего «темного» в космическом пространстве нет вовсе! Но что же тогда составляет 90% от массы всего вещества в Галактике? Итак, составим досье на эту скрытую массу.

1.Заполняет почти все мироздание

Темная материя сродни обычному веществу в том смысле, что она способна собираться в сгустки (размером, скажем, с галактику или скопление галактик) и участвует в гравитационных взаимодействиях так же, как обычное вещество. Скорее всего, она состоит из новых, не открытых еще в земных условиях частиц.

- До последнего времени было очевидно, что о 9/10 материи во Вселенной мы ничего не знаем, поскольку она, кроме гравитационного взаимодействия, никак не проявляет себя, - рассказывает директор Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга Анатолий Черепащук. – Все возрастающее число наблюдательных данных свидетельствовало о том, что какая-то загадочная темная материя, от которой мы не регистрируем никаких излучений, заполняет Вселенную и определяет движение тел.

В науке были случаи, когда астрономические наблюдения опережали лабораторные исследования. Например, известный химический элемент гелий впервые был обнаружен в спектре Солнца по характерным линиям поглощения и лишь затем в земных лабораториях. Но гелий составляет лишь около 25% по массе от наблюдаемого вещества во Вселенной. Сейчас же астрономия утверждает, что ненаблюдаемая форма материи (называемая скрытой массой) составляет свыше 90% всей массы во Вселенной, а та материя, которую мы наблюдаем, - это всего лишь малая добавка, менее 10%.

Ученым очень неуютно сознавать такую огромную меру незнания, поэтому сейчас мы являемся свидетелями яростной атаки на проблему скрытой массы. И теоретики и наблюдатели изобретают остроумные гипотезы и хитроумные эксперименты, чтобы прояснить, что же это такое скрытая масса. И кажется, за последние 2-3 года в этой животрепещущей проблеме наметился ощутимый прогресс.

2.Строит галактики

Так, например, астрономы обнаружили,  что темная материя непосредственно влияет на образование звезд в галактиках. Специалисты полагают, что невидимая субстанция служит неким связующим веществом. Скопившись в достаточном количестве, оно стягивает к себе обычный газ, а затем заставляет сжиматься и образовывать звезды. Вероятно, это и служит причиной того, что звезды объединяются в галактики, а те, в свою очередь, – в скопления и сверхскопления галактик.

Так, с помощью телескопа Spitzer ученые НАСА наблюдали инфракрасные галактики, которые являются одними из самых удаленных объектов, видимых с Земли. И зафиксировали, что каждая из этих галактик окружена невидимым «облаком» темной материи, примерно в 10 миллиардов раз превышающим объем Солнца.

3. Порождает антигравитацию

Темная энергия, равномерно заполняющая все пространство Вселенной, имеет отрицательное давление. Предполагается, что это давление должно порождать отталкивание, антигравитацию. Исходя из данных, свидетельствующих об  ускоренном расширении Вселенной, ученые предполагают, что здесь действует отрицательное давление темной энергии.

По имеющимся оценкам, ускорение расширения Вселенной началось приблизительно 5 миллиардов лет назад. Предполагается, что до этого оно замедлялось, благодаря гравитационному действию темной материи и барионной материи, состоящей из нейтронов и протонов. Плотность темной материи в расширяющейся Вселенной уменьшается быстрее, чем плотность темной энергии. В конце концов, темная энергия начинает преобладать. Например, когда объем Вселенной удваивается, плотность темной материи уменьшается вдвое, а плотность темной энергии остается почти неизменной.

По предположениям некоторых специалистов, если такое ускорение расширения Вселенной будет продолжаться бесконечно, то галактики за пределами нашего Сверхскопления галактик рано или поздно выйдут за горизонт событий и станут для нас невидимыми.

4. Запрещает распадаться частицам

Что представляют из себя частицы темной материи? Ясно, что эти частицы не должны распадаться на другие, более легкие частицы, иначе бы они распались за время существования Вселенной. Сам этот факт свидетельствует о том, что в природе действует новый, не открытый пока закон сохранения, запрещающий этим частицам распадаться. Аналогия здесь с законом сохранения электрического заряда: электрон - это легчайшая частица с электрическим зарядом, и именно поэтому он не распадается на более легкие частицы (например, нейтрино и фотоны). Далее, частицы темной материи чрезвычайно слабо взаимодействуют с нашим веществом, иначе они были бы уже обнаружены в земных экспериментах. Дальше начинается область гипотез.

Наиболее правдоподобной (но далеко не единственной!) представляется гипотеза о том, что частицы темной материи в 100–1000 раз тяжелее протона, и что их взаимодействие с обычным веществом по интенсивности сравнимо с взаимодействием нейтрино. Именно в рамках этой гипотезы современная плотность темной материи находит простое объяснение: частицы темной материи интенсивно рождались и аннигилировали в очень ранней Вселенной при сверхвысоких температурах (порядка 1015 градусов), и часть их дожила до наших дней. При указанных параметрах этих частиц их современное количество во Вселенной получается как раз такое, какое нужно.

5.Физики засомневались: а есть ли она?
 
Недавние исследования ученых поставили под сомнение существование темной материи как физического явления. Ученые сделали вывод, что вероятнее всего, темная материя является одной из форм гравитационного воздействия, которое до настоящего времени до конца не изучено.

Надо заметить, что эти сомнения высказываются не впервые. Например, исследования различных галактик доказали, что они обладают довольно сильной схожестью, что совершенно противоречит наличию темной материи.
Кроме того, в новом исследовании, было установлено, что поскольку галактики состоят и из обычной, и из темной материи, то их плотность суммарно должна совпадать. Однако расчеты вышли совсем не такими, как ожидалось.

Авторы новой работы разработали теорию, в которой задействованы только привычные нам физические явления. Одним из источников электронов во Вселенной являются взрывы сверхновых звезд. По мере движения электронов сквозь Млечный Путь их энергия падает. Исследователи предполагают, что излучение, испускаемое звездами, способно воздействовать на энергию электронов таким образом, что конечное распределение этих элементарных частиц по энергиям будет соответствовать наблюдаемому. Не исключено, что именно такой процесс и был принят за темную материю. Неужели ученые ошибались целых 80 лет – с 1930-х годов, когда впервые было выдвинуто предположение о существовании некоего неизвестного космического вещества?

“Темные” частицы поможет найти коллайдер

Так есть темная материя или за ней скрывается нечто другое?

- Для того, чтобы ответить на этот вопрос, нужно найти частицы темной материи, а помочь в этом нам могут – как один из вариантов - эксперименты на Большом адронном коллайдере, - считает заведующий кафедрой прикладной математики, доктор технических наук, профессор, действительный член Международной академии навигации и управления движением Валентин Комаров. - Если масса частиц темной материи действительно значительно тяжелее массы протона (на два-три порядка больше), то они будут рождаться в столкновениях обычных частиц, разогнанных на БАКе. Согласно популярным сегодня гипотезам, частицы темной материи могут являться представителями нового семейства элементарных частиц, так что наряду с открытием частиц темной материи, не исключено, что можно надеяться на обнаружение с помощью мощных ускорителей целого класса новых элементарных частиц и новых взаимодействий.

Другой путь состоит в прямой регистрации частиц темной материи, которые находятся вокруг нас. По предположениям ученых, в нашем окружении их должно быть не мало: при массе, равной 1000 масс протона, этих частиц  может быть около 1000  в кубическом метре нашего пространства. Можно предположить, что частицы темной материи, являясь  крайне слабо взаимодействующими с частицами обычной материи (аналогично нейтрино, вещество для них прозрачно), все же  изредка сталкиваются с атомными ядрами, и эти столкновения можно надеяться зарегистрировать.

Еще один путь связан с регистрацией продуктов аннигиляции частиц темной материи между собой. Эти частицы должны скапливаться в центре Земли и в центре Солнца (они способны беспрепятственно проникать внутрь Земли или Солнца). Там они аннигилируют друг с другом, и при этом образуются другие частицы, в том числе нейтрино. Эти нейтрино и могут быть зарегистрированы специальными установками - нейтринными телескопами. Также поиск продуктов  аннигиляции частиц темной материи предполагается вести в космосе, к примеру, в центральной области нашей Галактики.

Итак, природа «скрытых масс» еще не установлена. Известно только то, что она существует. Между тем, вопрос о скрытой массе Вселенной - это в полном смысле слова вопрос о ее будущем! Если масса темного вещества окажется выше некоторого «критического» значения, то в какой-то момент расширение Вселенной прекратится и начнется обратный процесс - сжатие. Если же невидимого вещества не так много, то расширение Вселенной будет продолжаться вечно.

И это еще один сценарий будущего нашего мироздания.

КСТАТИ

Помимо темной материи, есть еще и Большое Ничто

Американские астрономы из Университета Миннесоты сделали необычное открытие во Вселенной - они нашли Большое Ничто. На пространстве в миллиард световых лет (для сравнения, расстояние от Земли до Солнца составляет 8,3 световых минуты) не обнаружено никаких космических объектов. В пространстве, протяженность которого составляет до десяти миллиардов триллионов километров, нет ни галактик, ни отдельных звезд, ни «черных дыр», ни даже загадочной «темной материи».

Это не первый случай обнаружения пустого пространства в космосе, но найденная пустота по размеру в тысячу раз превышает ту, которую ученые ожидали обнаружить. Началось дело с того, что Национальная астрофизическая лаборатория, выполняющая своего рода радиоснимки космического пространства, обнаружила в одном месте на 45% материи меньше, чем обычно. Да и та материя, которую нашли, оказалась звездами, встретившимися между Землей и пустотой на расстоянии 5-10 млрд световых лет. Тогда специалисты проверили показания, которые снимал дополнительный радиотелескоп, фиксирующий фоновое радиоизлучение, и нашли отсутствие такового. Единственное объяснение, считают ученые, состоит в том, что в изучаемом месте просто ничего нет.

Ученые вышли на темную материю

Результаты интригуют, но не окончательны
Ученые, возможно, обнаружили частицу, которая является ведущим кандидатом на роль таинственной темной материи, хотя убедительных доказательств этому пока не получено.

9-летний поиск, ведущийся в уникальной обсерватории, в шахте старого железного рудника на глубине свыше 600 метров под землей дал возможность обнаружения слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP).

Но физики говорят, что есть примерно один из четырех шансов, что их открытие лишь фоновый шум. А это значит, что по всему миру «охота» с участием, по крайней мере, двух десятков различных обсерваторий и сотен ученых будет вестись дальше.

"По одному или двум событиям судить довольно сложно. Цифры слишком малы", сказал Тарек Сааб, профессор и один из десятков физиков, участвующих в проекте «Криогенный поиск темной материи» (CDMS II - Cryogenic Dark Matter Search II) – эксперимент, базирующийся в Суданской шахте на севере штата Миннесота (США).

 

"До сих пор, и не только нам, а всем приходилось работать без необходимой статистики - мы были слепы в этом смысле, - объяснила Дурдана Балакиширева, исследователь из университета Флориды. - Но впервые мы можем говорить о своеобразной статистике в вопросе изучения феномена темной материи". 

 

По крайней мере, открытие помогает опровергнуть некоторые теории о темной материи - повышением информированности о слабовзаимодействующих массивных частицах и потенциальным ускорением гонки обнаружения темной материи, говорят ученые.

"Мы, безусловно, надеемся, что в ближайшие пять лет или около того, кто-нибудь, наконец, все-таки зафиксирует четкий сигнал", - верит Тарек Сааб.

 

Отчетный документ о результатах эксперимента вышел в предпечатном вестнике «Science Express».