 рис. Темная материя
Темная материя - один из основных компонентов Вселенной, присутствие которой обнаруживается благодаря ее гравитационному притяжению, а не светимости. Темная материя составляет примерно 26,5% материально-энергетического состава Вселенной. Остальная часть - темная энергия (73%) и «обычная» видимая материя (0,5%).
Открытие темной материи
Первоначально известная как «недостающая масса», темная материя была впервые открыта американским астрономом швейцарского происхождения Фрицем Цвикки, который в 1933 году обнаружил, что масса всех звезд в Скоплении Волос Вероники (Abell 1656) составляет лишь около 1 процента массы, необходимой для сохранения гравитационного притяжения между галактиками внутри скопления. Существование этой недостающей массы оставалась под вопросом десятилетиями, вплоть до 1970-х годов, когда американские астрономы Вера Рубин и Кент Форд подтвердили ее существование наблюдением подобного явления: масса звезд, видимых в типичной галактике, составляет всего около 10% массы необходимой для поддержания вращения звезд вокруг центра галактики. Как правило, скорость, с которой звезды движутся по орбите вокруг центра галактики, не зависит от их отдаления от центра. Действительно, орбитальная скорость либо постоянна, либо слегка увеличивается с расстоянием, а не падает, как ожидалось. Чтобы объяснить это, масса галактики в пределах орбиты звезд должна увеличиваться линейно с увеличением расстояния от звезд до центра галактики. Однако эта внутренняя масса совсем не излучает свет - отсюда и название «темная материя».
 рис. Эффект гравитационной линзы
С момента подтверждения существования темной материи, преобладание этого компонента в галактиках и скоплениях галактик было обнаружено благодаря эффекту гравитационного линзирования: материя, действующая как линза, сгибает вокруг себя пространство и искажает траекторию проходящих частиц света. Наличие этого недостающего вещества в центрах галактик и их скоплениях также было выведено из движения и нагрева газа, что в свою очередь вызывает увеличение рентгеновского излучения. Например, рентгеновская обсерватория Чандра зафиксировала в скоплении Пуля (1E 0657-558), состоящем из двух сливающихся скоплений галактик, замедление горячего газа (обычное видимое вещество) вследствие эффекта лобового сопротивления одного скопления, проходящего сквозь другое. Однако масса скоплений не изменяется, что указывает на то, что большая часть массы состоит из темной материи.
Барионная темная материя
Двадцать семь процентов материально-энергетического состава Вселенной - это материя. Только 0,5% находится в массе звезд, а 0,03% этого вещества находится в виде элементов, более тяжелых, чем водород. Остальное - темная материя. Было обнаружено существование двух разновидностей темной материи. Первая разновидность составляет около 4,5% Вселенной и состоит из известных барионов (то есть протонов, нейтронов и атомных ядер), которые делают видимыми звезды и галактики. Предполагается, что большая часть этой барионной темной материи существует в виде газа внутри и между галактиками. Этот барионный или обычный компонент темной материи был обнаружен путем измерения избытка элементов тяжелее водорода, которые образовались в первые минуты после Большого взрыва, произошедшего 13,8 миллиардов лет назад.
Небарионная темная материя
Темная материя, которая включает другие 22 процента материи Вселенной, находится в незнакомой, небарионной форме. Скорость, с которой галактики и крупные структуры, состоящие из галактик, слились с флуктуациями плотности в ранней Вселенной, указывает на то, что небарионная темная материя является относительно «холодной» или «нерелятивистской». Это означает, что скелеты галактик и скоплений галактик состоят из тяжелых, медленно движущихся частиц. Отсутствие света от этих частиц также указывает на то, что они электромагнитно нейтральны. Эти свойства дали общее название этим слабо взаимодействующим массивным частицам (Weakly Interacting Massive Particle, WIMP). Точная природа этих частиц в настоящее время неизвестна, и они не предсказаны стандартной моделью физики частиц. Однако ряд возможных расширений стандартной модели, как, например, теория суперсимметрии, предсказывают существование гипотетических элементарных частиц, таких как аксионы или нейтралино, которые могут быть необнаруженными WIMP.
 фото: Скопление Волос Вероники
В настоящее время ученые предлагают различные методы обнаружения и измерения свойств этих невидимых вимпов, либо путем наблюдения за их воздействием в лабораторном детекторе, либо путем наблюдения за их уничтожением после столкновения друг с другом. Существует также некоторая вероятность того, что их присутствие и масса могут быть выявлены в ходе экспериментов на новых ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер.
В качестве альтернативы темной материи были предложены поправки к теории гравитации для объяснения явного наличия «недостающего вещества». Эти поправки показывают, что сила притяжения, создаваемая обычной материей, может быть увеличена при определенных условиях, которые могут возникать только в масштабах галактики. Однако большинство предположений являются неудовлетворительными по теоретическим соображениям, поскольку они не объясняют изменение силы тяжести на практике. Эти теории также не могут объяснить наблюдения темной материи, физически отделенной от видимой материи в скоплении Пули. Это разделение показывает, что темная материя является физической реальностью и отличается от обычной материи.
 фото: Две галактики в Скоплении Пули
|
