Вважається, що вперше термін «темна матерія» (matière obscure) з’явився 1906 року в працях французького математика Анрі Пуанкаре, де описувалися дивні особливості розподілу швидкостей обертання зірок навколо центру нашої Галактики. Відтоді минуло вже 117 років, але вчені досі не можуть сказати, з чого складається ця загадкова матерія та звідки вона взялася. Відомо лише, що її загальна маса в нашому Всесвіті мінімум уп’ятеро перевищує масу «звичайної» речовини та що вона відіграє величезну роль у всесвітній еволюції. Втім, це лише підбурює дослідників розкрити її таємниці.
Астрономія — це наука про стереження за рухом небесних тіл. Людство цікавиться астрономією протягом усієї своєї історії. В часи Відродження, коли ще не була відома причина руху планет, точилися суперечки про центр, навколо якого вони обертаються — Земля чи Сонце. Винахід Галілео Галілеєм телескопа в 1610 році надав більше аргументів на користь геліоцентричної системи світу. Великий масив планетних спостережень Тихо Браге дозволив його учню Йоганну Кеплеру вивести три закони руху небесних тіл у період між 1609 та 1619 роками. На основі цих праць аж у кінці XVII століття Айзек Ньютон сформулював закон всесвітнього тяжіння, який і пояснив причину саме такої поведінки планет.
Майже за 100 років після цього, в 1781-му, Вільям Гершель відкрив нову планету — Уран. За роки спостережень за цією планетою стало помітно, що її рух відрізнявся від розрахованого: невідома маса то вповільнювала, то прискорювала його. Природа кинула вченим новий виклик. Вирішення цієї аномалії знайшли у збуреннях іншим, ще невідомим тілом, що й спричинило відкриття Нептуна в 1846 році фактично шляхом розрахунків. Після наведення телескопа на точку з обчисленими координатами поблизу неї дійсно знайшли ще одну планету.
Подібна ситуація була і з Меркурієм — його рух також відрізнявся від розрахованого. За аналогією, астрономи збиралися знайти планету між Сонцем і Меркурієм, яка мала би спричиняти збурення в русі останнього. Для неї навіть придумали назву «Вулкан», але побачити її ніяк не могли. Ця проблема була вирішена «апгрейдом» ньютонівської теорії гравітації ейнштейнівською Загальною теорією відносності у 1915 році. Після цього Ейнштейн застосував нову теорію до Всесвіту як цілого. Розв’язання рівнянь у ній призводили до Всесвіту, що змінювався. Перед цим, як і більшість науковців, він вважав, що наш світ загалом незмінний у часі, тому він додав у рівняння Загальної теорії відносності коефіцієнт, що мав забезпечити його статичність. Проте Александр Фрідман показав, що навіть із цим коефіцієнтом Всесвіт мусить розширюватись або стискатися.
Відкриття «темної складової»
У 30-тих роках минулого століття американський астроном Фріц Цвіккі спостерігав скупчення галактик і виявив, що сумарна маса видимих об’єктів у таких скупченнях значно менша за ту, яку можна порахувати, виходячи зі швидкості їхнього руху. Різниця у масах становила до сотні разів. Це наштовхнуло вченого на думку, що там має бути дуже багато неврахованої невидимої маси. За кілька десятків років Вера Рубін досліджувала обертання окремих галактик. Більшість їхніх зірок перебуває в області поблизу ядра, тому там мала би концентруватися майже вся галактична маса. Згідно з ньютонівською механікою, швидкість обертання об’єктів із віддаленням від ядра мусила би зменшуватись. Але спостереження показали зовсім іншу картину: лінійна швидкість зірок від середніх відстаней і до видимих країв галактичних дисків була практично однаковою, перевищуючи теоретичне значення. В цьому дослідженні відношення маси видимих об’єктів і обчисленої з обертання відрізнялися приблизно на порядок.
Перед астрономами знову постала проблема: швидкість руху спостережуваних тіл відрізнялася від теоретично передбаченої. Вирішення цього питання було аналогічним — мало існувати щось іще, чого раніше не помітили (або ж невірною виявлялася вся теорія). Почали з пошуку невидимої маси, яку й назвали темною матерією. Спочатку вважалося, що до її складу входять лише мініатюрні чорні діри сонячних мас і нейтронні зірки, коричневі карлики, самотні планети, що блукають галактиками, не будучи «прив’язаними» до якогось світила, RAMBOs (Robust Associations of Massive Barionic Objects), частинки пилу та газу і, нарешті, нейтрино. MACHOs (MAssive Compact Halo Objects) і RAMBOs — достатньо масивні тіла, але вони занадто компактні й випромінюють мало світла чи іншого випромінювання, щоб їх помітити. Оскільки подібні об’єкти виявляють себе через гравітаційну взаємодію, впливаючи на рух видимих тіл, ефективним способом їх виявлення є гравітаційне лінзування, яким користуються й досі. Але достатньо швидко стало зрозуміло, що маси цих об’єктів недостатньо для розв’язання даної проблеми.
Нові інструменти
Після цього акцент пошуку змістили у бік елементарних частинок. Причому настільки, що виділили окремий клас WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles — слабовзаємодіючі масивні частинки). Із чотирьох фундаментальних взаємодій (слабка ядерна, сильна ядерна, електромагнітна та гравітаційна) вони беруть участь лише у першій і останній. Із реальних частинок з такими якостями на той час науці були відомі лише нейтрино, але нез’ясованим лишалося питання про їхню масивність: чи мають вони масу спокою, чи вони «безмасові», як фотони. Щоб отримати на нього відповідь, будувалися нейтринні обсерваторії для безпосереднього детектування цих невловимих частинок глибоко під землею. В 1998 році вчені виявили, що нейтрино може перетворюватися на різні типи, а значить — масу вони все ж мають. Хоч їх і надзвичайно багато (крізь ваш ніготь щосекунди пролітають десятки мільярдів нейтрино, утворених у надрах Сонця), та їхня маса занадто мала. Це засмутило вчених, але не зупинило пошуки в цьому напрямку.
Для безпосереднього детектування WIMPs із початку XXI століття будуються підземні обсерваторії в різних куточках планети. Лише в одній лабораторії Гран Сассо в Італії здійснюється кілька експериментів із прямого виявлення частинок «темної матерії» (DAMA/NaI, DAMA/LIBRA, CRESST, XENON та інші). Обладнання для них розташували під землею, щоб екранувати надзвичайно чутливі детектори, що реєструють взаємодію загадкових частинок із речовиною, від інших компонентів космічних променів (насамперед електронів і протонів). Важкий інертний газ ксенон зріджують і кілька тонн його заливають у контейнер, біля якого встановлені детектори. При взаємодії WIMP із ядром ксенону виділяється енергія у вигляді фотона, який реєструється детектором. У деяких експериментах замість зрідженого інертного газу використовують сцинтиляційні кристали (CRESST, CDMS, DAMA) в набагато менших кількостях, але також охолоджені до надзвичайно низьких температур для забезпечення високої чутливості.
Основної мети цих експериментів, тобто прямого виявлення WIMPs, ще не досягнуто, але провальними їх теж назвати не можна, бо вони допомогли здійснити багато супутніх відкриттів — наприклад, подвійного електронного захоплення, безнейтринного β-розпаду, спостереження α-розпаду вольфраму-180, період напіврозпаду якого оцінюють у 1,8×10¹⁸ років (для порівняння: вік Всесвіту не перевищує 1,4×10¹⁰ років), інженерних рекордів на кшталт охолодження до мілікельвінів, досягнення надпровідності, фантастичної чутливості до одного фотона. Зроблені відкриття дозволили окреслити нову межу для мас WIMPs.
Паралельно з експериментами з прямого детектування здійснювалися спроби непрямого виявлення частинок темної матерії, які базуються на тому, що ці частинки можуть анігілювати між собою чи просто розпадатися, утворюючи високоенергетичне випромінювання (Х, γ). Цим завданням займаються космічні телескопи Fermi, XMM-Newton, Chandra. Їхня мета — виявити надлишкове випромінювання з тих областей Всесвіту, де зосереджено багато маси (ядра галактик і галактичні скупчення). Крім того, до пошуків залучений також Великий адронний колайдер — для відтворення умов, у яких могла народжуватися темна матерія.
Наприкінці XX століття дві групи вчених спостерігали за далекими галактиками. Згідно з законом Габбла, чим далі розташовані об’єкти спостережень, тим швидше вони мають віддалятися від нас за рахунок розширення Всесвіту. В 1998 та 1999 роках були опубліковані результати досліджень, де рух галактик відбувався не за цим законом. Відхилення спробували пояснити тим, що наш світ розширюється, але, оскільки він містить багато маси та ще більше невидимої маси, його розширення мало би сповільнюватися гравітаційними силами. Але результати спостережень свідчили про протилежне: Всесвіт розширюється з прискоренням.
Керівники наукових груп, причетних до відкриття — Сол Перлмуттер і Браян Шмідт із Адамом Різом — у 2011 році отримали за нього Нобелівську премію. Причину прискореного розширення назвали темною енергією. Але що саме спричиняє таку поведінку Всесвіту, досі лишається невідомим. Знову-таки, для пояснення цього явища пропонують ввести нове поле чи модифікувати теорії гравітації. Оскільки для опису Всесвіту використовують рівняння Ейнштейна-Гілберта з Загальної теорії відносності, яка чудово передбачає та відтворює результати спостережень (як і ньютонівська гравітація в межах Сонячної системи, за винятком Меркурія), їх дійсно збиралися модифікувати, проте більшу популярність отримали гіпотези про існування досі не виявленого фізичного поля.
Теоретичні пояснення
Тут доречно згадати про невдалу спробу Ейнштейна «стабілізувати» Всесвіт за допомогою додаткового коефіцієнта у його формулі. Він несподівано отримав гарну перспективу в описі прискореного розширення Всесвіту. Тепер його називають Λ-членом або космологічною сталою й інтерпретують як енергію вакууму, що присутня всюди й «розпирає» собою простір. Більше простору у Всесвіті — більше енергії вакууму — ще більше простору.
Друга за популярністю гіпотеза — фізичне поле, що заповнює собою весь простір і описується як ідеальна нестислива рідина. Тиск цієї рідини (який і спричиняє розширення) пов’язаний із її густиною, яка входить у рівняння ЗТВ єдиним параметром — так званим параметром густини ω, що може приймати будь-які дійсні значення. Але фізика накладає на нього певні обмеження: оскільки розширення відбувається з прискоренням, то ця величина має бути меншою за -⅓, а при ω=-1 це поле стає ідентичним космологічній сталій. У межах -1<ω<-⅓ таке поле називають квінтесенцією, тоді як ω<-1 — це «фантом». Різниця між цими сутностями полягає у сценаріях майбутнього Всесвіту. При квінтесенції його розширення колись зміниться стисненням (тобто Всесвіт урешті колапсує, а далі буде «пульсувати»); при «фантомній» темній енергії прискорене розширення буде й надалі прискорюватись, а потім призведе до Великого Розриву — воно торкатиметься дедалі менших масштабів, спричинивши врешті розпад навіть стабільних ядер і суб’ядерних частинок. Згідно з останніми спостереженнями, значення цього параметру є близьким до -1 (а отже, розширення Всесвіту буде відбуватися вічно), тому космологічна стала є найперспективнішим кандидатом на роль темної енергії. Крім цього, ця енергія майже напевно проявляла себе у ранньому минулому Всесвіту. Вона здатна пояснити явище космологічної інфляції — миттєвого та супершвидкого розширення простору практично відразу після Великого Вибуху.
Крім того, вона пояснює ізотропію реліктового випромінювання, дослідженого апаратами COBE, WMAP і Planck. Існує гіпотеза (в її основі лежить квантова механіка), що темна енергія виникає через спонтанні утворення та анігіляції пар віртуальних частинок і античастинок. Але значення космологічної сталої для цих подій, згідно з квантово-механічними обчисленнями, перевищує спостережуване у понад гугол разів (орієнтовно у 10¹²⁰ разів).
Хоча темна матерія й темна енергія за своєю суттю протилежні, існують неодноразові спроби описати ці феномени в межах єдиного підходу. Доволі відомою спробою, датованою 2018 роком, є стаття британського вченого Джеймі Фарнса, де він використовує поняття рідини з від’ємною масою для пояснення темних сутностей. Крім того, він припустив, що від’ємна маса неперервно народжується у Всесвіті. Кожна з цих ідей окремо (від’ємна маса та безперервне створення маси) вже виникала в космології, але не витримала перевірки спостереженнями. Тут же автор об’єднав ці дві концепції.
Роботу Фарнса наукова спільнота сприйняла неоднозначно. Критика стосувалася великої кількості припущень, зроблених у ній — наприклад, дивної взаємодії від’ємних мас (якщо додатні маси між собою притягуються, то, за аналогією з електричними зарядами, від’ємні маси також мають притягуватись, а додатні та від’ємні — відштовхуватися, проте у статті було навпаки: «+» і «-» притягувались, а «-» і «-» відштовхувались).
Перспективи досліджень
Варто розуміти, що темна матерія й темна енергія — це як легендарне «42»: цими поняттями описують конкретні спостережувані явища (швидке обертання зірок у галактиках, галактик у кластерах і прискорене розширення Всесвіту), справжня причина яких досі лишається невідомою. Попри це, ми можемо робити припущення та передбачення щодо цих феноменів, що так чи інакше відповідатимуть іншим спостереженням. На сьогодні найкраще описують Всесвіт космологічна стала (Λ) в ролі темної енергії та «холодна» темна матерія (CDM), частинки якої рухаються з малими швидкостями відносно швидкості світла. Сукупно їх називають ΛCDM-моделлю.
Говорячи про темну матерію, варто зауважити, що тепер цей термін означає гіпотетичні «невидимі» частинки й аж ніяк не тіла, що складаються з «нормальної» баріонної речовини (до складу якої входять протони та нейтрони), і тим більше не антиматерію — частинкам темної матерії може відповідати своя темна антиматерія, і при взаємодії вони також будуть анігілювати, таким чином виказуючи себе спостерігачам, які пильно їх шукають. ΛCDM-модель Всесвіту, згідно з наявними даними, передбачає наявність приблизно 68% темної енергії та 27% темної матерії, а решта 5% припадає на баріонну матерію, з якої складаємося ми й усе, що можна побачити на власні очі або зареєструвати в якомусь спектральному діапазоні. Для кращого розуміння невидимих 95% потрібно більше спостережень кращої якості. До них уже долучився космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST), що може зазирнути набагато далі в минуле Всесвіту, ніж його попередник Hubble, а влітку 2024 року має розпочати роботу наземний гігант LSST (Large Synoptic Survey Telescope) із 8,5-метровим дзеркалом, названий на честь Вери Рубін.
Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!
Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine
