Астрономія

Що таке темна матерія і темна енергія? Як їх фіксують? Звідки ми знаємо, що вони існують?

Що таке темна матерія і темна енергія?

Темна матерія — це форма матерії, яка не вступає у взаємодію з електромагнітним випромінюванням. Тобто, на відміну від звичайної, або баріонної матерії, вона не поглинає, не відбиває і не випромінює світло, що робить її виявлення надзвичайно важким. Дослідники роблять висновок про її існування завдяки гравітаційним ефектам, які вона чинить на видиму речовину.

Темна енергія — це форма енергії, яка рівномірно розподілена у Всесвіті та сприяє його прискореному розширенню. Це прискорення можна виміряти спостереженнями, заснованими на законі Габбла: галактики віддаляються одна від одної зі швидкістю, пропорційною відстані до них. Такі вимірювання разом з іншими науковими даними дозволили підтвердити існування темної енергії та дати оцінку її кількості у Всесвіті, проте вчені усе ще знають про неї замало. Тож означення «темна» для опису цього явища вживається у понятті «невідома, загадкова». Темна енергія має ряд незвичайних властивостей: постійну густину, яка не змінюється у часі, а також від’ємний тиск, через що вона переживає антигравітацію, тобто «розштовхує» сама себе.  

Звичайна матерія становить менше 5% усієї маси Всесвіту, на темну матерію припадає близько 25%, а на темну енергію — близько 70%.

Чи існують частинки, з яких складається темна матерія?

Баріонна матерія складається з протонів, нейтронів та електронів, об'єднаних в атоми. Темна матерія може бути баріонною або небаріонною. 

У випадку, якщо вона баріонна, це означатиме, що частину ефектів, які ми приписуємо темній матерії, насправді створює звичайна баріонна матерія, яка майже не випромінює електромагнітні хвилі, тож її важко зафіксувати. Це можуть бути так звані масивні астрофізичні компактні об’єкти гало, які англійською звучать значно ефектніше — MACHO (massive astrophysical compact halo object). До них можуть належати тьмяні коричневі карлики, нейтронні зірки, чорні діри або планети-сироти, що не прив’язані гравітаційно до жодної зірки. Втім, навіть якщо частина темної матерії дійсно насправді баріонна, пояснити усю її таким чином неможливо.

Щодо небаріонної темної матерії існує кілька припущень. Найголовнішими кандидатами у частинки темної матерії є вімпи, або слабко взаємодіючі масивні частинки (Weakly Interacting Massive Particles, WIMPS). Їхня маса має бути в десятки чи навіть у сотню разів більшою за масу протона і вони майже не проявляють себе при взаємодії зі звичайною речовиною. Як і нейтрино, вімпи беруть участь лише у двох із чотирьох фундаментальних взаємодій Всесвіту: гравітації та слабкій ядерній взаємодії, яка відповідає за розпад радіоактивних атомних ядер. Ці частинки темної речовини мають бути електрично нейтральними, тобто не будуть взаємодіяти з електромагнітним випромінюванням, тож залишатимуться невидимими. Пошуки вімпів ведуться вже кілька десятків років, але поки що не принесли результатів.

Гіпотетичні стерильні нейтрино також можуть бути частинками темної матерії. Нейтрино — це частинка, що рухається із швидкістю світла, не має заряду та бере участь лише у гравітаційній та слабкій ядерній взаємодії. Нейтрино здатне проходити навіть крізь тверді тіла, не впливаючи на них. Його гіпотетичний особливий тип, стерильне нейтрино, має вступати лише у гравітаційну взаємодію. Пошуками такої особливої частинки займається проєкт IceCube. Це нейтринна обсерваторія, розташована під кригою на антарктичній станції. Вона шукає стерильні нейтрино, що пройшли Землю наскрізь, але поки що експерименти не виявили жодних слідів таких частинок.

Ще одними кандидатами у частинки темної матерії є аксіони. Якщо вони існують, то їхня маса має бути у мільйон чи навіть мільярд разів меншою за масу електрона. За таких низьких мас вони мали б величезну густину в ранньому Всесвіті. У результаті аксіони можуть поводитися скоріше не як частинки, а як поля, що призведе до гравітаційних ефектів, необхідних для пояснення темної матерії. Ці гіпотетичні частинки також можуть вирішити ще одну відому фізичну проблему: їхня потенційна взаємодія з нейтронами пояснить, чому вони можуть відчувати магнітні поля, але не електричні. У червні 2020 року учасники експерименту XENON1T оголосили, що зафіксували особливий сигнал, який можна пояснити наявністю аксіонів. Але результати експерименту ще потрібно підтвердити. Навіть якщо дослідники дійсно зафіксували ці частинки, треба довести, що вони мають відношення до темної матерії.

Вчені говорять «холодна темна матерія». Що це означає?

Небаріонні форми темної матерії зазвичай поділяються на два класи: гарячу та холодну. У рамках моделі гарячої темної матерії її частинки матимуть майже нульову масу (стерильні нейтрино та аксіони). Спеціальна теорія відносності вимагає, щоб майже безмасові частинки рухались зі швидкістю, дуже близькою до швидкості світла. Однак така модель не вписується у великомасштабну структуру галактик, що спостерігається у Всесвіті. Згідно з нею, спочатку матерія збирається у надскупчення, які потім розпадаються на менші системи, у яких, врешті-решт, формуються галактики. Але, насправді, усе відбувається інакше, тож гаряча темна матерія, якщо й існує, не є її основною формою.

Холодна темна матерія має складатися з достатньо масивних частинок, які рухаються повільно у порівнянні зі швидкістю світла та мало взаємодіють між собою. Основним кандидатом у такі частинки є вімпи. Згідно з цією моделлю, спочатку формуються карликові галактики та скупчення, які зливаються та утворюють більші структури. Саме таку картину спостерігають астрономи та підтверджують моделювання.

Як фіксують темну матерію?

Починаючи з 20-х років минулого сторіччя, астрономи висувають гіпотезу, що у Всесвіті існує більше речовини, ніж можна побачити. Так, швейцарський астроном Фріц Цвікі помітив, що далекі галактики обертаються навколо одна одної набагато швидше, ніж це було б можливо, враховуючи їхню видиму речовину, яку можна зафіксувати за допомогою телескопів. Це означало, що насправді маса цих галактик має бути значно більшою, але з якихось причин матерія, що їй відповідає, виявилася прихованою та проявляє себе лише гравітаційно.

У 1970-х роках астрономка Вера Рубін детально вивчила зірки у віддалених регіонах сусідньої галактики Андромеди. Ці зірки надто швидко оберталися навколо ядра галактики, хоча мали б, навпаки, уповільнюватися тим сильніше, чим далі від центра вони розташовуються. Це свідчило про те, що густина матерії у галактиках не зменшується на їхній периферії, а залишається практично незмінною, але ж видима матерія явно скупчується біля центрів галактик. Пізніше подібну картину астрономи зафіксували в галактиках усього Всесвіту. Отже, існує дещо, що ми не бачимо, але воно створює масу, причому значно більшу, ніж звичайна речовина.

На існування темної матерії вказують ефекти гравітаційного лінзування. Згідно з теорією відносності, маса деформує простір-час, у результаті чого шлях світла поруч з масивними об’єктами викривляється, і це можна відслідкувати. Таким чином, за допомогою гравітаційного лінзування можна вивчати розподіл темної матерії у скупченнях галактик. Зокрема, вимірюючи ступінь викривлення зображення галактики, що лежить за скупченням, яке виконує роль гравітаційної лінзи, можна виміряти його повну масу, яка буде відрізнятися від маси видимої матерії.

Доказом існування темної матерії також слугують дослідження реліктового випромінювання. Це перше світло Всесвіту, що змогло розповсюдитися у ньому, коли він розширився і його первинна гаряча плазма почала остигати. Його фотони реєструються у мікрохвильовому діапазоні. Вивчаючи його, дослідники визначили, що середня кривизна Всесвіту дорівнює нулю, тобто паралельні прямі у ньому не перетинаються. Потім дослідники підрахували середню густину видимої речовини Всесвіту і виявилося, що її недостатньо для того, щоб його кривизна була нульовою. Знову ж таки, ці розбіжності у масі виправляє темна матерія.

Тепер щодо темної енергії. Як вчені дізналися про її існування?

У 20 столітті астрономи дійшли висновку, що Всесвіт розширюється. Це розширення та гравітація, яка виникає внаслідок наявності матерії у Всесвіті, вступають у боротьбу. Якщо маси буде достатньо, з часом розширення має зупинитися. Але дослідники з’ясували, що насправді Всесвіт не лише продовжує розширюватися, але й робить це усе швидше і швидше. Спричиняти таке прискорення має певна сила.

Переконатися у цьому дозволили вимірювання відстаней до віддалених об’єктів. Щоб це зробити, астрономи користуються так званими стандартними свічками — об’єктами, світність яких добре відома. Чим далі буде знаходитися стандартна свічка, тим тьмяніше вона буде виглядати. Зокрема, у якості таких об’єктів використовують вибухи наднових типу Iа, які спалахують у подвійних зоряних системах, де речовина зірки-компаньона падає на білого карлика. Спостереження за такими надновими у 1998 році показали, що найстарші з них, які вибухнули, коли Всесвіт мав лише дві третини від свого сучасного віку, були набагато менш яскравими, ніж мали б бути. Отже, вони знаходилися значно далі. Таким чином, що Всесвіт розширився набагато швидше, ніж передбачалося.

Хоча спочатку наукова спільнота сприйняла такі результати з великим скептицизмом, незабаром подібні спостереження, проведені іншими групами дослідників іншими методами, їх підтвердили. Розширення Всесвіту дійсно прискорюється.

Що саме представляє собою темна енергія?

Відомі властивості темної енергії узгоджуються з космологічною сталою — математичним коефіцієнтом, який Альберт Айнштайн додав до своєї загальної теорії відносності, щоб привести її рівняння у відповідність із тодішнім розумінням Всесвіту як статичного. Вчений не вбачав у цьому коефіцієнті жодного фізичного сенсу. Пізніше, коли астрономічні спостереження виявили, що Всесвіт розширюється, він відкинув цю ідею, назвавши космологічну сталу своїм найбільшим промахом. Але виявилося, що Айнштайн був до себе надто суворим. 

Стала Габлла, що визначає швидкість розширення Всесвіту, змінюється з часом. Чому ж тоді її називаються сталою? Справа в тому, що ця величина однакова у всіх точках Всесвіту в певний момент часу. Зміну цієї сталої можна виявити, підбираючи значення тієї самої космологічної сталої Айнштайна, яка пояснює, як розтягується простір-час.

Насправді, дослідникам відомо зовсім небагато про темну енергію. Одне з можливих пояснень цього явища полягає в тому, що воно є властивістю простору. Тобто, енергія і тиск самого вакууму є ненульовими, і у міру розширення Всесвіту ця енергія продовжує рівномірно його заповнювати. Як результат, такий вид енергії змусить Всесвіт розширюватися все швидше і швидше.

Інше пояснення того, як простір отримує цю енергію, стосується квантової теорії. Згідно з нею, вакуум насправді наповнений віртуальними частинками, які постійно утворюються внаслідок флуктуацій (хаотичних коливань), а потім зникають. Втім, підрахунок енергії, яку можна отримати завдяки такому процесу, дає значно більші цифри, ніж потрібно для створення тієї картини, що спостерігається.

Також темна енергія може бути новим видом динамічного силового поля під назвою квінтесенція. Воно рівномірно, немов рідина, заповнює увесь простір, а його вплив на Всесвіт відмінний від того впливу, що чинять звичайна матерія та енергія. Але вчені усе ще не знають, як та з чим взаємодіє квінтесенція та чому вона має саме такі властивості — якщо, звичайно, вона взагалі існує.

Остання можливість полягає в тому, що поняття гравітації, яке випливає з теорії відносності Айнштайна, є неправильним. Втім, теорію неодноразово підтверджували різноманітними спостереженнями, до того ж, речовина в галактиках та скупченнях поводить себе саме так, як передбачається згідно з сучасним розумінням гравітації. Звісно, альтернативні теорії існують, але жодна з них немає належного підтвердження та обґрунтування.