Що це темна матерія? Чи існує темна матерія?

Навчання 02 липня 2022 Перегляди: 78

Питання походження Всесвіту, його минулого і майбутнього хвилювало людей з незапам’ятних часів. Протягом багатьох століть теорії виникали і спростовувалися, пропонуючи картину світу, що спирається на відомі дані. Ґрунтовним потрясінням для наукового світу стала теорія відносності Ейнштейна. Вона ж внесла величезний внесок у розуміння процесів, що формують Всесвіт. Однак і теорія відносності не могла претендувати на звання істини в останній інстанції, яка не вимагає будь-яких доповнень. Технології, що вдосконалюються, дозволили астрономам зробити немислимі раніше відкриття, які зажадали нової теоретичної бази або значного розширення вже існуючих положень. Одним з таких феноменів стала темна матерія. Але про все по порядку.

Справи давно минулих днів

Для розуміння терміну «темна матерія» повернемося в початок минулого століття. У той час головувало уявлення про Всесвіт як про стаціонарну структуру. Тим часом загальна теорія відносності (ОТГ) передбачала, що рано чи пізно сила тяжіння призведе до «злипання» всіх об’єктів космосу в єдиний клубок, відбудеться так званий гравітаційний колапс. Між космічними об’єктами не існує сил відштовхування. Взаємне тяжіння компенсується відцентровими силами, що створюють постійний рух зірок, планет та інших тіл. Таким чином підтримується рівновага системи.

Для того щоб запобігти теоретичному колапсу Всесвіту, Ейнштейн ввів космологічну постійну — величину, що приводить систему в необхідний стаціонарний стан, але при цьому фактично вигадану, яка не має очевидних підстав.

Розширений всесвіт

Обчислення і відкриття Фрідмана і Хаббла показали відсутність необхідності порушувати стрункі рівняння ОТГ за допомогою нової постійної. Було доведено, і сьогодні цей факт практично ні в кого не викликає сумнівів, що Всесвіт розширюється, у нього був колись початок, і про стаціонарність мови йти не може. Подальший розвиток космології призвів до появи теорії великого вибуху. Головне підтвердження нових припущень — спостережуване збільшення з часом відстані між галактиками. Саме вимірювання швидкості видалення один від одного сусідніх космічних систем і призвело до формування гіпотези про те, що існує темна матерія і темна енергія.

Дані, які не узгоджуються з теорією

Фріц Цвіккі в 1931 році, а потім і Ян Оорт в 1932-му і в 1960-х займалися підрахунком маси речовини галактик у віддаленому скупченні і співвідношення її зі швидкістю видалення їх один від одного. З разу в раз вчені приходили до одних і тих же висновків: такої кількості речовини недостатньо, щоб створювана ним гравітація могла утримати разом галактики, що рухаються з настільки великими швидкостями. Цвіккі та Оорт припустили, що існує прихована маса, темна матерія Всесвіту, що не дозволяє космічним об’єктам розлетітися в різні боки.

Однак гіпотеза отримала визнання наукового світу тільки в сімдесятих роках, після оголошення результатів роботи Віри Рубін. Вона побудувала криві обертання, що наочно демонструють залежність швидкості руху речовини галактики від відстані, яка відокремлює її від центру системи. Всупереч теоретичним припущенням виявилося, що швидкості зірок у міру видалення від галактичного центру не зменшуються, а зростають. Пояснити таку поведінку світил можна було тільки наявністю у галактики гало, яке заповнює темна матерія. Таким чином астрономія зіткнулася з абсолютно невивченою частиною світобудови.

Властивості і склад

Темним цей вид матерії називають тому, що її не можна побачити жодними існуючими способами. Її присутність впізнається за непрямою ознакою: темна матерія створює гравітаційне поле, при цьому не випромінюючи абсолютно електромагнітних хвиль.

Найважливішим завданням, яке виникло перед вченими, стало отримання відповіді на питання про те, з чого складається ця матерія. Астрофізики намагалися «наповнити» її звичною баріонною речовиною (баріонна матерія складається з більш-менш вивчених протонів, нейтронів і електронів). У темне гало галактик включали компактні слабовипромінюючі зірки типу коричневих карликів і величезні, по масі наближені до Юпітера планети. Однак подібні припущення не витримували перевірки. Баріонна матерія, звична і відома, таким чином, не може грати істотної ролі в прихованій масі галактик.

Сьогодні пошуком невідомих складових займається фізика. Практичні дослідження вчених ґрунтуються на теорії суперсиметрії мікроміру, згідно з якою для кожної відомої частинки існує суперсиметрична пара. Ось вони і складають темну матерію. Однак доказів існування подібних частинок поки отримати не вдалося, можливо, це справа найближчого майбутнього.

Темна енергія

Відкриттям нового типу матерії не закінчилися сюрпризи, які підготував Всесвіт вченим. У 1998 році астрофізикам представився ще один шанс зіставити дані теорій з фактами. Цей рік ознаменувався вибухом наднової зірки в далекій від нас галактиці. Астрономи виміряли відстань до неї і вкрай здивувалися отриманим даним: зірка спалахнула набагато далі, ніж це повинно було бути згідно існуючої теорії. Виявилося, що швидкість розширення Всесвіту з часом збільшується: зараз вона набагато вища, ніж була 14 мільярдів років тому, коли імовірно стався великий вибух.

Як відомо, щоб прискорити рух тіла, йому потрібно передати енергію. Силу, яка змушує Всесвіт розширюватися швидше, стали називати темною енергією. Це не менш загадкова частина космосу, ніж темна матерія. Відомо лише, що для неї характерний рівномірний розподіл по всьому Всесвіту, а зареєструвати його вплив можна лише на величезних космічних відстанях.

І знову космологічна постійна

Темна енергія похитнула теорію великого вибуху. Частина наукового світу скептично ставиться до можливості подібної субстанції і викликаного їй прискорення розширення. Деякі астрофізики намагаються відродити забуту космологічну постійну Ейнштейна, яка знову з розряду великої наукової помилки може перейти в число робочих гіпотез. Її присутність у рівняннях створює антигравітацію, що призводить до прискорення розширення. Однак деякі слідства наявності космологічної постійної не узгоджуються з даними спостережень.

Сьогодні темна матерія і темна енергія, що становлять більшу частину речовини у Всесвіті, — загадки для вчених. Однозначної відповіді на питання про їхню природу немає. Більш того, можливо, це не остання таємниця, що зберігає від нас космос. Темна матерія та енергія можуть стати переддень нових відкриттів, здатних перевернути наше уявлення про устрій Всесвіту.