Темная материя заполняет Вселенную, оттеняя своей чернотой блеск дальних квазаров и сияние изумительных спиралей галактик. Тьма, заполняющая пространство, дарит жизнь звездам и планетам. Это, она таинственная и невидимая, определяет пульс Вселенной, оставаясь в мистической тени неизведанности. Кто решится сорвать покров ее тайны?
Темная материя определяет скорости галактик
Известно, что во Вселенной есть галактики, которые состоят из звездных шаровых скоплений, звездных систем и планет. Расстояние между галактиками исчисляется в миллионах и миллиардах световых лет. А что между ними – пустота? Космический вакуум, разбавленный звездной пылью? Но природа не терпит пустоты. Оказывается, там, в холодных глубинах космоса, в межгалактическом пространстве что-то есть. Оно настолько огромно и массивно, что составляет почти 90% нашей Вселенной…
Это темная материя – она невидима и неслышима, не фиксируется научными приборами. Но косвенно проявляет себя через гравитационные воздействия на космические объекты.
Есть два основных способа определения массы галактик и их скоплений.
1. Между массами скоплений галактик и собственными скоростями движения отдельных звездных образований в их составе существует определенная зависимость. Измеряя с помощью астрономических инструментов скорости и радиусы этих скоплений, можно вычислить массу. Определенная таким способом масса называется «вириальной массой».
2. Массы скоплений галактик и звезд соответствуют их светимости. Чем больше масса, тем они светятся сильнее. Это достаточно точный метод для определения масс галактик или их скопления.
Сопоставляя результаты, полученные двумя методами, ученые обнаружили в результатах разницу в десять и сотен раз, что говорило о том, что не все параметры были учтены. Массы, определенные вторым способом, оказались намного меньше «вириальных масс».
Впервые с таким противоречием столкнулся швейцарский астроном Ф. Цвикки. В 1933 году он измерял скорости галактик в скоплении, которое находится в созвездии Волосы Вероники. Оказалось, что они двигались настолько быстро, что для того, чтобы их удержать, требовалась масса, по крайней мере, в 10 раз больше определенной вычислениями. Этот необъяснимый феномен назвали «парадоксом Цвикки».
Дальше – больше. В 70-х годах 20 века обнаружилось, что движение галактик в скоплениях не соответствует законам классической небесной механики. Мало того, внешние области нашей Галактики вращаются вокруг ее центра с такой же скоростью, как и внутренние. Такое поведение Галактики было бы естественным, если бы она находилась внутри огромного массивного облака. Тогда бы странности ее вращения можно было объяснить.
Темная материя определяет светимость квазаров
В последние годы изучением темной материи занялись английские астрономы. В Австралии был установлен большой телескоп системы Шмидта с диаметром оптики 1,2 метра. Одной из программ, проводимых на этом телескопе , являлась программа исследований изменений на участке неба в 35 кв. градусов. Исследовались промежутки времени от часов до многолетнего периода. Эта область неба постоянно фотографировалась, а затем снимки исследовались в Эдинбургской обсерватории в Шотландии. Были зафиксированы данные около 200 тысяч галактик: положения в пространстве, размеры и конфигурации. Потом сравнили изменения – вариации – их состояний в разные промежутки времени. Оказалось, что период изменений их физического состояния составляет от 5 до 10 лет.
От чего могут возникать вариации светимости? Астроном Эдинбургской обсерватории М. Хоукинс предположил, что причиной таких вариаций могут быть «гравитационные линзы». Такие «линзы» возникают, если луч света попадает в поле массивного объекта. Возникает эффект оптической линзы, и видимая светимость увеличивается. Были проверены вариации светимости самых ярких космических объектов – квазаров. Оказалось, что у близких квазаров светимость почти не изменяется, а далекие квазары имеют вариации светимости.
Это означало, что на пути светового потока имелись невидимые космических тела, послуживших причиной образования гравитационных линз.
Темная материя определяет будущее Вселенной
Таким образом, существование невидимых массивных тел, заполняющих почти все пространство Вселенной, было доказано. Тогда встал вопрос об их природе. От ответа на этот вопрос зависело будущее нашей Вселенной. Будет ли она расширяться бесконечно, или период расширения сменится периодом сжатия. Для этого необходимо определить плотность этого невидимого вещества – темной материи.
Обрабатывая данные, доступные благодаря эффекту гравитационных линз, М. Хоукинс пришел к выводу, что большинство зафиксированных объектов темной материи – черные дыры — можно сравнить с массой Юпитера. Он считает, что черные дыры формировались одновременно с галактиками и достаточно плотно распределены во Вселенной. Получается, что все далекие космические объекты мы видим сквозь гравитационные линзы, создаваемые черными дырами темной материи.
Ученые считают, что можно найти частицы темной материи. Но так как природа этих частиц неизвестна, то каким образом их искать тоже непонятно. Было предложено несколько способов.
Например, обнаружить их с помощью коллайдера. Предполагаемая масса темной материи на 2-3 порядка выше массы протона. Тогда они могут появиться в результате столкновений пучков протонов высоких энергий в коллайдере.
Определенные надежды в этом плане возлагаются на Большой адронный коллайдер, который постепенно входит в рабочий режим. Ожидается, что в столкновениях встречных пучков будут рождаться новые, неизвестные пока науке, элементарные частицы, в том числе и частицы темной материи. Новые частицы откроют неизвестные взаимодействия, которые повлекут за собой такие открытия, что перевернут все наши представления об окружающем мире.
Другой способ определения частиц темной материи состоит в регистрации аннигиляции этих частиц. Предполагается, что они скапливаются в центре Земли и в центре Солнца. Там они аннигилируют, образовывая нейтрино. Нейтрино регистрируются специальными нейтринными телескопами.
Но как определить, что эти нейтрино являются продуктами аннигиляции частиц темной материи?
Определение природы частиц темной материи имеет большое значение. Если скрытая масса окажется больше критического значения, то расширение Вселенной сменится сжатием, а если меньше – то Вселенная будет расширяться вечно. Можно сказать, что темная материя определяет жизнь Вселенной…