Що таке темна матерія і що про неї відомо?

У фізиці є теоретична конструкція, яка описує взаємодію всіх відомих нам елементарних частинок – Стандартна модель. Та от халепа: це лишень 5% від наявних у Всесвіті речовин, себто природа інших 95% нам невідома. На основі матеріалів відомого астрофізика Ітана Сігела для Forbes та Medium ми спробуємо з’ясувати, чим є темна матерія і що наука думає про її природу.

Виявлення бозону Хіггса – остаточного підтвердження Стандартної моделі – дозволило нам описати фундаментальні взаємодії частинок типу лептонів, кварків та бозонів. Однак той факт, що настільки складна теорія не описує й двадцятої частини всієї матерії, породив нові хвилі скепсису і нові дослідження невідомої, «темної» матерії. Гіпотетично ми бачимо присутність темної матерії через її гравітаційний вплив, але безпосередньо «зловити» і описати її не вдалося.

Щоб закрити цю прогалину, науковці використовують дедукцію – мов той Шерлок Голмс, вони намагаються відновити хронологію та суть подій, крокуючи від наслідку до причини. Найвідомішим є експеримент, під час якого науковці шукали частинки темної матерії у басейні, заповненому рідким ксеноном. Результат – нульовий.

Почалися дебати, мовляв, чому темна матерія не може «ховатися» в інших відомих нам частинках? Або чому ми прив’язалися до «темності» матерії – можливо, просто теорія гравітації на велетенських масштабах дає збій? Хай там як, а об’єктивним суддею будь-яких гіпотез буде експеримент та спостереження. Якщо явище відповідатиме цим двом критеріям, воно буде істинним. Нумо розберімося у кількох ключових гіпотезах, які наближають нас до розуміння темної матерії.

Міжзоряний пил?

1933 року американські астрономи досліджували скупчення галактик Coma Cluster та виявили дивну розбіжність у масі. Виміряти масу галактики можна або рахуючи її зірки-учасниці, або вимірюючи швидкість і гравітаційну силу галактики. Підрахунки мали дуже велику розбіжність – у понад 50 разів.

На той час це не було феноменом, оскільки подібних спостережень загалом було обмаль. 1970 року науковці вивчали залежність швидкості зірок від їхньої відстані до центру галактики. Вони виявили, що для віддалених зірок швидкість не зменшується пропорційно відстані, себто на них впливає якась маса, якої ми не бачимо. Про те, як далеко вона розподілена, науковці тоді геть не здогадувалися.

Теоретично, наявність прихованої маси могли пояснити міжзоряний пил та газові хмари. Але їхні частинки так чи інакше взаємодіють між собою та втрачають енергію, «послаблюючи» периферію. Побачити гало прихованої маси неможливо, а отже гіпотезу було спростовано.

Погана теорія?

Можливо, жодної додаткової маси немає? Ймовірно, закони Ньютона чи теорія гравітації просто працюють інакше на цих масштабах? Ці та інші гіпотетичні запитання повертають нас до покращення теперішніх теорій.

«Що більша гравітаційна дія, то більшим є прискорення об’єкту» – з цією фундаментальною тезою Ньютона вирішив посперечатися ізраїльський фізик Мілгром. 1983 року він запропонував скориговану гіпотезу MOND, де вніс правки у закон Ньютона у надмалих прискореннях.

Такий підхід добре пояснював феномени з попереднього розділу, але не працював для галактик, прискорення яких набагато більше за одиничні зірки. Утім, доробки Мілгрома дали початок постньютонівському формалізму – широкому класу наукових теорій, де науковці намагаються пояснити відхилення від звичайної гравітації. Деякі з теорій справді знімають проблему прихованої маси, але породжують інші проблеми: зокрема, ці теорії неможливо підтвердити експериментом і спостереженням.

Холодна матерія?

Холодна темна матерія – одна з найпопулярніших сьогодні наукових гіпотез. Її частинки поділяються на масивні (WIMP) та легкі (WISP). Основним кандидатом на роль темної матерії з групи WISP є аксіон – гіпотетична частинка з дуже малою масою, яка здатна перетворюватися на фотон-фотонну пару, щоб її можна було «вловити».

Попри чисельні спроби, аксіон донині не підтвердив свою кандидатуру на звання однієї з частинок прихованої, «темної» матерії.

Чому це важливо

Існує багато гіпотез, що прагнуть пояснити дивний феномен нашої реальности: наявність прихованої маси. Три вищеназвані гіпотези не знімають питання, але дають базис, на основі якого можна працювати майбутнім поколінням.

З кожним новим експериментом ми навчаємося ще краще обмежувати умови спостережень і ще точніше проводити досліди. Постійно відкидаючи неможливі варіанти та звужуючи коло пошуків, людство щороку наближається до розуміння тих 95% матерії, що зачаїлися у нашому Всесвіті.