Невидимий цемент всесвіту

Темна матерія не випромінює і не поглинає світло, практично не взаємодіє зі «звичайною» матерією, вченим поки не вдалося зловити жодної «темної» частинки. Але без неї не міг би існувати знайомий нам Всесвіт, та й ми самі. У День темної матерії, який відзначається 31 жовтня (фізики вирішили, що переддень Хелловіна - якраз відповідний час, щоб влаштувати свято на честь темної і невловимої субстанції), розпитав завідувача відділу теоретичної астрофізики Астрокосмічного центру ФІАН Андрія Дорошкевича про те, що таке темна матерія і чому вона так важлива.

N + 1: Наскільки вчені впевнені сьогодні, що темна матерія дійсно існує?

Андрій Дорошкевич: Головне свідчення - це спостереження флуктуацій реліктового випромінювання, тобто результати, які за останні 15 років отримали космічні апарати WMAP і «Планк».

Вони з високою точністю вимірювали обурення температури космічного мікрохвильового фону, тобто реліктового випромінювання. Ці обурення збереглися з епохи рекомбінації, коли іонізований водень перетворився на нейтральні атоми.

Ці вимірювання показали присутність флуктуацій, дуже невеликих, приблизно в одну десятитисячну кельвіна. Але коли вони почали порівнювати ці дані з теоретичними моделями, то виявили важливі відмінності, які не можна пояснити ніяк інакше, крім як присутністю темної матерії. Завдяки цьому вони з точністю до відсотків змогли порахувати частки темної і звичайної матерії у Всесвіті.

Вчені робили безліч спроб позбутися невидимої і неощущаемой темної матерії, створювалися теорії модифікованої гравітації, наприклад MOND, які намагаються пояснити спостережувані ефекти. Чому моделі з темною матерією кращі?

Ситуація дуже проста: сучасна ейнштейнівська теорія гравітації добре виконується на земних масштабах, супутники літають у суворій відповідності з цією теорією. І вона дуже добре виконується на космологічних масштабах. А всі сучасні моделі, які змінюють гравітацію, не можуть пояснити все. Вони вносять нові постійні в закон Ньютона, що дозволяє пояснити ефекти присутності темної матерії на рівні галактик, але промахуються на космологічному масштабі.

А чи може тут допомогти відкриття гравітаційних хвиль? Можливо, воно допоможе відкинути якісь з теорій?

Те, що зараз виміряли гравітаційні хвилі - це величезний технічний, а не науковий успіх. Те, що вони існують, було відомо 40 років тому, коли було виявлено (побічно) гравітаційне випромінювання від подвійного пульсара. Спостереження гравітаційних хвиль ще раз підтвердили існування чорних дір, хоча ми в цьому і раніше не сумнівалися, але тепер у нас тут є більш-менш пряме свідчення.

Форма ефекту, зміни гравітаційних хвиль залежно від потужності, можуть нам дати дуже корисну інформацію, але потрібно чекати ще років п'ять-десять, поки у нас накопичиться достатньо даних для уточнення теорій гравітації.

Як вчені дізналися про темну матерію

Історія темної матерії почалася 1933 року, коли астроном Фріц Цвіккі досліджував розподіл швидкостей галактик у скупченні, розташованому в сузір'ї Волоси Вероніки. Він виявив, що галактики в скупченні рухаються занадто швидко, і якщо брати до уваги тільки видиму речовину, скупчення не могло б бути стабільним - галактики просто розкидало б в різні боки. У статті, опублікованій 16 лютого 1933 року, Цвіккі припустив, що їх утримує разом невидима тяжіла речовина - Dunkle Materie. Трохи пізніше невідповідність між «видимою» масою галактик і параметрами їх руху підтвердили й інші астрономи. У 1958 році радянський астрофізик Віктор Амбарцумян запропонував своє рішення парадоксу Цвіккі. На його думку, скупчення галактик не містять ніякої невидимої матерії, яка б утримувала їх гравітаційно. Ми просто спостерігаємо скупчення в процесі розпаду. Однак більшість астрономів не прийняли цього пояснення, оскільки в цьому випадку термін життя скупчень становив би не більше одного мільярда років, а враховуючи, що термін існування Всесвіту в десять разів більше, до сьогоднішнього дня скупчень просто б не залишилося.

Загальноприйняті уявлення про темну матерію свідчать, що вона складається з вімпів (WIMP), масивних частинок, що майже не взаємодіють з частинками звичайної матерії. Що можна сказати про їхні властивості?

У них досить велика маса - і це майже все, навіть точну масу ми назвати не можемо. Вони без зіткнень пробігають великі відстані, але обурення щільності в них не затухають навіть на порівняно малих масштабах - і це єдине, що нам потрібно сьогодні для моделей.

Реліктове випромінювання дає нам характеристики темної матерії для великих масштабів, для масштабів скупчень галактик. Але щоб «спуститися» на масштаби малих галактик, ми змушені користуватися теоретичними моделями.

Саме існування невеликих галактик говорить про те, що навіть у відносно невеликих масштабах існували неоднорідності, що виникли незабаром після Великого вибуху. Такі неоднорідності можуть загасати, розгладжуватися, але ми знаємо точно, що вони не загасли в масштабах маленьких галактик. Це говорить про те, що ці частинки темної матерії повинні мати такі властивості, щоб ці обурення збереглися.

Чи правильно говорити, що зірки могли виникати тільки завдяки темній матерії?

Не зовсім. Без темної матерії не могли виникнути галактики, а зірки не можуть формуватися поза галактиками. На відміну від темної матерії, баріони завжди гарячі, вони взаємодіють з реліктовим випромінюванням. Тому самостійно вони не можуть збиратися в зірки, гравітація барионів зоряної маси не може подолати їх тиск.

Частинки темної матерії діють як невидимий цемент, який стягує баріони в галактики, а потім вже в них починається процес утворення зірок. Темної матерії в шість разів більше, ніж барионів, вона «керує», а баріони тільки за нею тягнуться.

А чи багато темної матерії навколо нас?

Вона є скрізь, питання тільки в тому, скільки її. Вважається, що в нашій Галактиці маса темної матерії - кілька менше 10 відсотків.

Але вже в околицях Галактики темної матерії більше, ми можемо бачити ознаки присутності ореолу з темної матерії навколо як нашої, так і інших зоряних систем. Звичайно, ми бачимо його завдяки баріонам, ми їх спостерігаємо, і розуміємо, що вони «тримаються» там тільки завдяки присутності темної матерії.

Як вчені шукають темну матерію

З кінця 80-х років фізики проводять експерименти на установках глибоко під землею в спробах вловити зіткнення окремих частинок темної матерії. За минулі 15 років колективна чутливість цих експериментів зростала експоненційно, подвоюючись в середньому щороку. Дві великі колаборації, XENON і PandaX-II, нещодавно запустили нові, ще більш чутливі детектори. Перша з них побудувала найбільший у світі детектор темної матерії XENON1T. У ньому використовується 2000-кілограмова мішень з рідкого ксенона, поміщена в бак з водою висотою 10 метрів. Все це знаходиться під землею на глибині 1,4 кілометра в Національній лабораторії Гран-Сассо (Італія). Установка PandaX-II похована на глибині 2,4 кілометра в китайській провінції Сичуань і містить 584 кілограм рідкого ксенона. Обидва експерименти використовують ксенон, тому що він вкрай інертний, а це допомагає утримувати низький рівень шуму. Крім того, ядра атомів ксенона відносно важкі (містять в середньому 131 нуклон на ядро), що дає «більшу» мішень для частинок темної матерії. Якщо одна з таких частинок зіткнеться з ядром атома ксенона, це породить слабкий, але вловимий спалах світла (сцинтиляцію) і утворення електричного заряду. Спостереження навіть невеликого числа таких подій може дати нам важливі дані про природу темної матерії. Поки ні цим, ні яким-небудь іншим експериментам не вдалося виявити частинок темної матерії, але і це мовчання може бути використано для того, щоб встановити верхню межу ймовірності зіткнень частинок темної матерії з частинками звичайної.

Частинки темної матерії можуть утворювати скупчення, як частинки звичайної матерії?

Можуть, але все питання в тому, якої щільності. З точки зору астрофізики і галактики - щільні об'єкти, їх щільність становить близько одного протона на кубічний сантиметр, і зірки - щільні об'єкти, з щільністю порядку грама на кубічний сантиметр. Але між ними 24 порядку різниці. Як правило, хмари з темної матерії мають «галактичну» щільність.

Чи є шанси у численних ядерно-фізичних експериментів з пошуку частинок темної матерії?

Вони намагаються зловити взаємодії окремих частинок темної матерії з атомами звичайної речовини, як це роблять з нейтрино. Але їх зловити дуже непросто, і не факт, що це взагалі можливо.

Телескоп CAST (CERN Axion Solar Telescope) в ЦЕРНі шукає гіпотетичні частинки - аксиони, з яких може складатися темна матерія.

Може бути, темна матерія взагалі складається з так званих «дзеркальних» частинок, які в принципі можливо спостерігати тільки з їх гравітації. Гіпотеза другого «дзеркального» Всесвіту була запропонована півстоліття тому, це свого роду подвоєння реальності.

Реальні спостереження у нас є тільки з космології.