Темна матерія давно вже стала однією з найпопулярніших тем наукових новин. При цьому суть досліджень науковців, які намагаються щось про неї дізнатися, і тим більш те, як вони узгоджуються між собою, зазвичай вкрай важко зрозуміти. Але ми все ж спробуємо в усьому цьому розібратися.
Проблема прихованої маси
Темна матерія — наукова проблема, щодо розв’язання якої ледь не щотижня виходять статті. При цьому практично кожна друга з них подається як сенсаційний розв’язок принаймні частини цієї загадки. Автори публікацій подають свої результати як свідчення того, що тепер-то точно зрозуміло, що вона існує і складається з… ось тут є кілька варіантів, і у різних авторів вони свої.
Усе разом це має вигляд дуже дивний і складний, особливо якщо спробувати вчитатися у суть дослідження. Але якщо почати від самого початку, то все стає трохи зрозумілішим.
Почалася історія темної матерії з трохи іншого терміну — прихованої маси. Класична астрономія завжди спостерігала не тільки за яскравістю об’єктів на небі, але і за їхнім рухом. Поки вчені просто користувалися квадрантами та телескопами, можна було тільки приблизно здогадуватися про розміри світил.
Однак у XVII столітті Ісаак Ньютон та Йоган Кеплер довели, що рух небесних тіл підкоряється дії тих самих сил, що і будь-яких предметів на Землі. І найпотужнішою із цих сил є гравітація. Тож, знаючи як із часом змінюється вектор швидкості небесного тіла, можна вирахувати, як тяжіння сусідів діє на нього. А отже, встановити їхні маси та передбачити, як траєкторії тіл будуть змінюватися у майбутньому.
У XIX столітті виявилося, що рух зовнішніх планет, і насамперед Урана, суттєво відрізняється від передбачень. Пояснення могло бути одне: десь існує прихована маса, гравітаційна дія якої змінює орбіту інших тіл.
А якщо маса є, треба її відшукати. Саме ці пошуки призвели до відкриття Нептуна, Плутона і пояса Койпера. І саме на ідеї пошуку прихованої маси базуються сучасні пошуки дев’ятої чи десятої планети.
Темна матерія і баріонна речовина
У XX столітті вже спостереження за Чумацьким Шляхом та галактиками за його межами змусили згадати про приховану масу. Бо відповідно до все тієї ж фізики Ньютона та Кеплера, коли величезний диск, що складається з безлічі окремих крихітних частинок, обертається навколо певної точки, то швидкість руху його елементів має залежати від густини речовини у цій зоні.
У Чумацькому Шляху щільність зір плавно знижується від центру до країв, тож швидкість їхнього руху має падати пропорційно до квадрата відстані від осі обертання. Але всі спостереження показували, що, починаючи з певної відстані від центру Галактики, швидкості зір та туманностей залишаються майже однаковими, так, ніби існує якась прихована маса, яка простягається набагато далі, ніж зорі та туманності.
І це — не єдиний випадок. Ще 1933 року Фріц Цвіккі виявив, що у скупченні Волосся Вероніки спостерігається надзвичайно великий розбіг радіальних швидкостей. За встановлених ним значень воно давно мало б розлетітися врізнобіч, але щось тримає його разом. І схоже, що тут теж не обійшлося без прихованої маси. Й маса ця мала б бути у кілька разів більшою, ніж усе, що мали об’єкти, які можна було б роздивитися у телескоп.
У першій половині XX вчені вже набагато більше знали про можливість спостереження об’єктів на різних довжинах електромагнітних хвиль, тому як одна з екзотичних гіпотез була висловлена ідея темної матерії — речовини, що ніяк не проявляє себе на жодних частотах, але при цьому активно взаємодіє з рештою Всесвіту завдяки силі тяжіння.
Проте спочатку вона видалася науковцям занадто екзотичною, бо така речовина була б чимось, що ніхто і близько не бачив на Землі, а, за Ньютоном, у космосі все має бути тим самим, що і на Землі.
Зрештою, Нептун, який свого часу став розв’язанням проблеми прихованої маси у Сонячній системі, складається з тієї ж самої баріонної матерії — протонів, нейтронів та електронів, що і людські тіла. Тож логічно, що і гало галактик, ті самі невидимі, але масивні компоненти зоряних систем, мали б складатися з чогось звичного.
Протягом 40–70-х років астрономічні інструменти швидко розвивалися. Астрономи почали спостерігати зоряне небо в інфрачервоному, ультрафіолетовому, радіо- та інших діапазонах і справді виявили купу газу, пилу і зір, яких раніше не бачили. Але їх було явно замало для того, аби бути усією прихованою масою.
При цьому фізики за цей час також чимало просунулися у розумінні будови речовини, й стало зрозуміло, що якої форми баріонна матерія не набула б, вірогідність того, що вона не буде випромінювати ані фотонів будь-якої частоти, ані нейтрино, наближалася до нуля.
У 1970-ті роки вчені дослідили реліктове випромінювання і переконалися, що воно відносно ізотропне, а отже, на початку наш Всесвіт мав бути повністю однорідним. Але у ньому все ж утворилися гігантські скупчення галактик. За 13,7 млрд років такі гігантські неоднорідності мали б виникнути тільки завдяки існуванню навколо галактик гало, що складаються з чогось, що ніяк себе не проявляє в електромагнітному спектрі, але при цьому має масу, а отже, і гравітацію, які перевищують видиму частину Всесвіту.
Чим темна енергія відрізняється від темної матерії
У 90-х роках виникла нова проблема. Розвиток теоретичних уявлень про початкові етапи розвитку Всесвіту призвів до встановлення того факту, що його кривина близька до нульової. Але для цього густина матерії повинна мати певну величину, якої вона, згідно зі спостереженнями, не мала. І навіть якщо додати до звичайної матерії темну, їх разом все одно було замало.
До того ж астрономи провели дуже багато вимірювань відстаней до дуже далеких галактик і дійшли висновку, що протягом мільярдів років швидкість розширення Всесвіту збільшилася, і це можливо тільки в тому випадку — якби в ньому було щось, що примушує галактики розлітатися швидше.
Вкотре виникла проблема прихованої маси, й цього разу треба було вигадати вже зовсім щось екзотичне. Щось, що мало б масу або енергію (за Ейнштейном, вони тотожні), але при цьому взагалі б не брало участь у жодних взаємодіях, а тільки б впливало на кривину простору і швидкість розширення. Це щось і отримало назву темної енергії.
Отже, сучасні уявлення про розподіл маси у Всесвіті наразі такий. Приблизно 68–74% припадає на темну енергію і що вона собою являє, ніхто навіть не намагається особливо уявити. 22–26 % — темна матерія, ті самі частинки, що проявляють себе тільки гравітацією. 4,5–5% — звичайна баріонна матерія, причому зорі, планети та туманності в галактиках — лише близько 0,5%, а решта — міжгалактичний газ.
Теорії темної матерії
З’ясувавши все це, варто повернутися до основного предмета суперечки науковців протягом останніх чотирьох десятиліть. Якими ж частинками представлена темна матерія? Тут єдності між вченими немає і близько. Деяка частина дослідників взагалі вважає, що всі вищенаведені теоретичні побудови хибні, й можна знайти пояснення поведінці галактик та їхніх скупчень взагалі без прихованої маси.
Ще деяка частина вчених припускає, що прихована маса, яку називають темною матерією, все ж є, але вона насправді складається зі звичних нам частинок. Йдеться про так звані MACHO — масивні компактні об’єкти гало. Це можуть бути об’єкти вже відомої природи, нейтронні зорі, білі та коричневі карлики, планети — все, що при розміщенні за межами галактичного диска, буде випромінювати дуже мало світла, але при цьому сукупно мати чималу масу.
Численні дослідження ставлять під сумнів твердження, що MACHO може бути достатньо для пояснення усіх явищ, які зараз приписують темній матерії. Проте крапку у цій суперечці досі так і не поставили.
Нарешті, є багато теорій щодо власне не баріонної темної матерії. І тут теж у вчених немає повної єдності. Бо перш ніж замислюватися про конкретний тип частинок, варто розібратися, були вони на початку Всесвіту гарячими чи холодними, коли відділилися від решти речовини.
У перші секунди після народження наш Всесвіт був надзвичайно гарячим. А температура — це швидкість руху частинок. Тож коли складники темної матерії виділилися з моря енергії, вони могли мати швидкості, близькі до світлової (релятивістські) чи значно менші. У першому випадку ми говоримо про гарячу темну матерію, у другому — про холодну.
Якщо темна матерія була гарячою, то з кандидатом на роль її складової проблем немає — це звичайні нейтрино. Принаймні, вони в усьому відповідають очікуванням і чогось іншого схожого поки що ніхто не придумав.
Проте з «гарячою теорією» є інша проблема. Вона передбачає, що великомасштабна структура галактичних скупчень, та сама, що й породила саму теорію темної матерії, формувалася «згори вниз», тобто найбільші та найзагальніші елементи — спочатку, а дрібні, типу нашої Місцевої групи й окремих галактик, — в останню чергу. Проте спостереження свідчать, що все відбувалося навпаки.
Тому зараз поняття темної матерії переважно пояснюють на основі «холодної теорії». Вона має певні невеликі невідповідності тому, що ми спостерігаємо у Всесвіті, але загалом дуже непогано описує все, що відбувалося впродовж 13,7 млрд років його розвитку. Проте з нею є інші проблеми.
З яких частинок складається темна матерія
Головна проблема з холодною темною матерією полягає в тому, що у сучасній Стандартній моделі просто немає елементарних частинок, з яких вона могла б складатися. Адже це мало б бути щось достатньо важке і при цьому таке, що зі звичайними протонами, нейтронами та електронами не зіштовхується і фотонів не породжує. До того ж воно ще й має бути достатньо стабільним, щоб не видавати себе під час розпаду.
Або принаймні теоретична частинка темної матерії таки має робити щось із вищепереліченого, але дуже рідко. Власне, на останнє всі, хто темною матерією займається, дуже розраховують. Річ у тім, що шукати щось, що ніхто не бачив і що ніяк себе не проявляє — це дуже погано. Причому погано не з погляду Ейнштейна чи Ньютона, а з погляду науки взагалі.
Ось чому щоразу, як хтось із науковців пропонує нове пояснення того, що собою являє темна матерія, йдеться про взаємодію зі звичайною речовиною, наслідки якої вчені могли б спостерігати.
Існує кілька основних версій того, що собою являють частинки темної матерії. Перший — масивні частинки, що слабо взаємодіють, або ж WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Насправді це не одна, а кілька можливих частинок, наприклад, нейтраліно, передбачені теорією суперсиметрії. Вважається, що вони могли народжуватися на самому початку існування Всесвіту і продовжують існувати досі, лише інколи розпадаючись, й саме продукти цього розпаду ми можемо спостерігати.
Найчастіше на роль WIMP претендує нейтраліно — частинка, яка дуже схожа на нейтрон, але набагато важча за нього. Інший кандидат — стерильні нейтрино. Проблема лише в тому, що існування цих частинок передбачене теорією суперсиметрії, а вона, за результатами експериментів на Великому адронному колайдері, поставлена під сумнів.
Інший можливий кандидат на роль частинки темної матерії — аксіон. На відміну від нейтраліно та стерильних нейтрино, його існування ніякими експериментами під сумнів не ставиться. Цю частинку придумали для того, аби розв’язувати деякі проблеми у квантовій хромодинаміці, й ціла купа теорій включають його в себе та дають більш-менш точні передбачення того, які ефекти можуть допомогти його визначити.
Усі теорії згодні з тим, що аксіон має бути нейтральною частинкою, яка набагато легша за WIMP, майже не вступає в електромагнітну взаємодію і розпадається на два фотони.
Існують також теорії, що темна матерія складається не з одного, а з кількох видів частинок. У такому разі кожен із них можна виявити в окремому експерименті. І пояснювати вони можуть різні явища, які спостерігаються у Всесвіті.
Трохи окремо від усіх інших теорій холодної темної матерії треба згадати первинні чорні діри. У сучасному Всесвіті об’єкти, гравітація яких настільки велика, що утворюється так званий горизонт подій, який не можуть подолати навіть фотони, можуть формуватися тільки з зір, маса яких у кілька разів перевищує сонячну.
Однак на самому початку існування Всесвіту коливання самого простору-часу могли породжувати чорні діри мікроскопічного розміру. Якби вони дожили до нашого часу, то були б чудовими кандидатами на роль складових темної матерії. Проте існування такого явища як випромінювання Гокінга ставить цю теорію під сумнів. За 13,7 млрд років принаймні найменші з них мали б повністю випаруватися. Причому перехід їхньої маси у випромінювану енергію ми мали б фіксувати.
То про що сперечаються науковці?
Якщо підсумувати все вищесказане, сучасна дискусія навколо темної матерії має такий вигляд. Існує суперечність між спостережуваною поведінкою галактик і їхніх скупчень та передбаченнями щодо неї. І вона дуже схожа на випадки, коли десь є прихована маса, тільки цього разу невидимої речовини має бути у кілька разів більше, ніж видимої.
Сам факт наявності проблеми сумнівів не викликає. Проте не всі вчені поділяють навіть думку, що справа у прихованій масі, замість цього висуваючи більш екзотичні ідеї. Більшість же науковців, які згодні із загальноприйнятим трактуванням причин, згодні також і з тим, що більшу частину матерії Всесвіту ми не бачимо, бо вона складається з чогось, що зі звичною нам матерією не взаємодіє.
І тут виникає проблема, бо треба описати властивості цього чогось, що ніхто не бачив, і передбачити такі ситуації, в яких це щось може себе проявити. І все це в умовах, коли в Стандартній моделі просто немає елементарної частинки, яка б мала точно такі властивості, як треба.
Ось тут і починається увесь атракціон із розрахунком можливості існування певних частинок та спроб встановити, які з їхніх можливих взаємодій вчені могли б у принципі спостерігати. Ситуація ускладнюється тим, що, залежно від типу, частинки темної матерії можуть проявляти себе тільки за межами Галактики, всередині неї й навіть на Землі. Бо ніхто точно не може сказати, чи є темна матерія поруч із нами, чи немає.
Саме тому загалом публікації про темну матерію нагадують мозаїку. У кожній із них автори будують модель свого типу частинок (аксіонів чи WIMP) і описують рецепт, як їх можна було б побачити. При цьому рецепти ці достатньо складні в стилі «знайти в лісі коливань електромагнітного спектра білочку, яка єдина є проявом небаріонної матерії.
Цілком можливо, що серед десятків вже опублікованих рецептів дійсно є той, який у майбутньому справді доведе, що існують якісь частинки, яких ми досі не бачили, але які становлять більшу частину матерії Всесвіту. І можливо, що таких правильних рецептів вже кілька.
А може бути так, що темна матерія — фантом, за яким науковці ганяються вже кілька десятиліть. Проте не можна сказати, що вони роблять це дарма. Адже наука — це саме послідовне відкидання теорій, що точно не працюють, у пошуках тієї, що дійсно описує світ навколо.
