85% материи во Вселенной невидимы: открытие, изменившее законы физики
Она составляет около 85% всей массы во Вселенной, не излучает, не поглощает и не отражает свет, однако без нее существование космоса было бы невозможным. «Темная материя» — это таинственная субстанция, обнаруженная благодаря аномальному движению звезд и задокументированная посредством искажений космического света.
85% всего вещества во Вселенной невидимо. Мы не можем его видеть или ощутить, и до сих пор не удалось зафиксировать ни одной его частицы, однако без этой субстанции ничего бы не существовало. Большая часть материи во Вселенной состоит из «темной материи» — загадочного вещества, которое не излучает, не отражает и не поглощает свет, оставаясь недоступным для современных приборов.
Тайна начала раскрываться в 1970-х годах, когда астроном Вера Рубин заметила странное явление: звезды на окраинах галактик двигались с огромной скоростью. Согласно законам физики, они должны были разлететься в разные стороны, но некое невидимое воздействие удерживало их на орбитах с колоссальной силой гравитации.
Согласно законам механики Исаака Ньютона и Альберта Эйнштейна, чем дальше объект находится от центра масс, тем слабее гравитация и ниже скорость вращения (как в нашей Солнечной системе: Меркурий движется быстро, а далекий Нептун — медленно). Это можно сравнить с каруселью: если вращать ее слишком быстро, дети на внешнем краю улетят, если не будут держаться очень крепко. Рубин обнаружила, что галактики вращаются с такой скоростью, при которой звезды на периферии должны были вылететь в глубокий космос. Поскольку этого не происходит, был сделан вывод о наличии «невидимых рук» — огромной скрытой массы, удерживающей объекты на этой «карусели».
В 2006 году НАСА представило драматическое косвенное доказательство, зафиксировав столкновение скоплений галактик, где центр тяжести массы оказался полностью отделен от видимого вещества. Наблюдая за «скоплением Пуля» — двумя гигантскими скоплениями, столкнувшимися друг с другом, — ученые увидели, что обычное вещество (газ и пыль) остановилось в центре из-за трения. Однако с помощью гравитационного линзирования (измерения того, как гравитация искривляет свет) было установлено, что большая часть массы скоплений прошла сквозь друг друга, не останавливаясь, и продолжила движение.
Темная материя распределена не случайно. Ученые называют ее «космическими лесами», так как сразу после Большого взрыва она создала сеть структур, похожих на нити («филаменты»). Именно гравитация этих структур притянула обычную материю, сделав возможным формирование галактик в том виде, в каком мы их знаем сегодня.
Сразу после Большого взрыва Вселенная была относительно однородной, но темная материя имела небольшие колебания плотности. Обладая только силой гравитации, плотные области притягивали все больше материи, пока не образовалась трехмерная сеть гигантских «нитей», растянутых на миллиарды световых лет. Обычное вещество (водород) притянулось в гравитационные каналы этих нитей, накопилось там и сколлапсировало, образовав звезды и галактики.
Хотя ведущие теории утверждают, что речь идет о субатомной частице, способной беспрепятственно проходить сквозь твердые тела, попытки обнаружить ее в гигантских подземных детекторах на глубине километра до сих пор не принесли результатов. Охота за фундаментальным компонентом нашего существования продолжается.
Теория гласит, что темная материя состоит из частиц (ведущий кандидат — WIMP, слабо взаимодействующие массивные частицы). Они проходят сквозь Землю, как сквозь воздух. Чтобы поймать их, ученые построили огромные резервуары, наполненные жидким газом (например, ксеноном), ожидая, когда частица темной материи случайно ударит в ядро атома ксенона, вызвав вспышку света.
Важно отметить, что термин «темная» в физике означает не черный цвет, а невидимость для наших методов наблюдения. Обычное вещество взаимодействует с электромагнитной силой — отражает свет, излучает радиацию или блокирует ее, что позволяет нам видеть его или фиксировать радаром. Темная материя абсолютно прозрачна и никак не взаимодействует со светом.
Ее можно сравнить с ветром: мы не видим воздух, но, наблюдая за движением верхушек деревьев, точно знаем о его наличии. Темная материя оставляет «следы» только через гравитацию, воздействуя на объекты, которые мы можем наблюдать.
В конечном итоге, ученые до сих пор не знают, из чего она состоит. Ведущая теория предполагает существование типа частиц, способных проходить сквозь любую материю.
