Темна матерія трохи посветлела

Парад зіштовхуються галактик

Про темної матерії відомо дуже мало. Існує безліч гіпотез про її природу, з яких найбільш правдоподібною на сьогодні вважається концепція так званої «холодної темної матерії». Відповідно до цієї гіпотези, частинки темної матерії інтенсивно народжувалися і аннигилировали в дуже ранньому Всесвіті при надвисоких температурах (порядку 10 у п’ятнадцятій ступені градусів Цельсія), і частина їх, причому найповільніша, дожила до наших днів. Їх кількість з часом вже не зменшується – чи то через малих швидкостей, чи то ще чомусь вони не взаємодіють один з одним.

Але тепер з’ясовується, що це не зовсім так. Своє відкриття вчені зробили, спостерігаючи за одночасним злиттям відразу чотирьох галактик в галактичному скупченні Abell +3827, що знаходиться від нас на відстані півтора мільярда світлових років. Справа в тому, що шукане взаємодія має бути дуже слабким, і помітити його можна тільки при катастрофах галактичного масштабу. Керівник групи, британець Річард Мессі (Richard Massey) з Даремського університету, присвятив цій проблемі всю свою наукову кар’єру. Його команда проаналізувала 72 галактичних зіткнення, але безрезультатно. Узагальнюючи свої спостереження в березні 2015 року, вчені прийшли до висновку, що якщо частинки темної матерії і взаємодіють між собою, то набагато рідше, ніж передбачають теорії, що допускають таку взаємодію.

Але «рідше» не означає «ніколи». Злиття галактик тривають сотнями мільйонів років, і те, що можна побачити за час людського життя, – всього лише мить цього процесу, моментальний знімок, який найчастіше зроблений в неналежне час і в неналежному ракурсі.

І ось вченим, нарешті, пощастило. Сімдесят третє зіткнення в скупченні Abell +3827 виявилося для спостережень вдалим. У цьому галактичному ДТП було більше учасників, ніж зазвичай, що надавало процесу додаткову міць. Позаду сталкивающегося квартету знаходиться велика галактика, на світло від якої подіяла створена учасниками зіткнення гравітаційна лінза. І саме зіткнення виявилося на рідкість старим, що дозволило шуканого незначний ефект накопичитися. Не підвів і ракурс: цятки галактик розташувалися в цьому моментальному знімку немов на груповому фото, не затуляючи один одного.

І все-таки вона гальмує!

Використавши дані, отримані 3D-спектрографом MUSE. рік тому встановленому на європейському наземному «Дуже великому телескопі». і знімки, зроблені космічною обсерваторією Hubble, вчені зуміли створити карту розподілу темної матерії навколо галактик, що зіштовхуються.

Згідно сьогоднішнім уявленням, кожна галактика знаходиться в хмарі темної матерії, і це хмара супроводжує її, оточуючи своєрідним невидимим гало на всьому її шляху. Коли галактики стикаються, вони прискорюються, а разом з ними повинно прискорюватися і це хмара. Однак те, що побачили вчені на своїй «темної» карті, дещо не відповідало цьому правилу. «Принаймні, в однієї з чотирьох галактик хмара темної матерії вже не оточувало її, а знаходилося позаду, на відстані п’яти тисяч світлових років, немов би не встигаючи за скупченням зірок і відстаючи від нього все більше і більше», – обережно пишуть автори статті.

Це був той самий ефект, якого так чекав Мессі. Те, що хмара темної матерії гальмується під час галактичного зіткнення, може пояснюватися відбуваються в ньому внутрішніми процесами, взаємодією його частинок між собою, причому не гравітаційним. І це також «може бути першим свідченням багатої фізики, керуючої темним сектором».

Таємничий змова

трохи прочинити одну зі своїх таємниць, пов’язаних зі слабкою взаємодією, темна матерія тут же задала дослідникам нову загадку, зануривши їх у стан глибокої задуми. Наприкінці квітня об’єднана група астрофізиків з лабораторій США, Австралії та Європи оголосила про дивну поведінку темного сектора всередині еліптичних галактик, не вкладається в існуючі теорії.

Учені використовували спектрограф DEIMOS, встановлений на найбільшому в світі наземному телескопі (обсерваторія Кека), для того, щоб виміряти розподіл швидкостей зірок у найближчих великих еліптичних галактиках і обчислити розподіл їх маси. І натрапили на дивний ефект: зірки і темна матерія повели себе так само, як в спіральних галактиках зразок нашого Чумацького шляху. Так само, як в спіральних, кругова швидкість зірок еліптичних галактик практично не залежить від відстані до галактичного центру, причому на периферії вона набагато вища, ніж належить за законами ньютонівської гравітації.

Для спіральних галактик, де ця закономірність була відкрита сорок років тому, додаткове розкручування галактичних оболонок пояснювалося впливом темної матерії, так що збільшення зоряної швидкості для еліптичних галактик було очікуваним. Сюрпризом виявилося майже повний збіг графіків цього збільшення для обох типів галактик. Сучасні моделі темної матерії такої подібності не передбачають.

«Те, що в спіральних і еліптичних галактиках швидкості зірок приблизно однакові вздовж усього діаметра галактичного диска, означає, що зірки і темна матерія” змовилися “між собою і розмістилися в галактиці таким чином, щоб загальна маса була розподілена більш-менш рівномірно. Тобто поблизу центрів галактик більше зірок, а у країв галактичних дисків домінує темна матерія », – пише керівник дослідження Мікеле Капелларі (Michele Capellari) з Оксфордського університету.

Правда, може виявитися і так, що темна матерія тут ні при чому. Ще у вісімдесятих роках минулого сторіччя ізраїльський фізик Мордехай Мілгром (Mordehai Milgrom) висунув екзотичну гіпотезу про те, що в міру збільшення відстані (в галактичних масштабах) ньютоновский закон всесвітнього тяжіння виконується все з меншою точністю. Однак, більшість вчених скептично ставиться до теорій, що використовують модифіковані закони Ньютона.

Полювання за двозначними частинками

Що мається на увазі під взаємодією, відмінним від гравітаційного, автори статті не уточнюють. Але взагалі-то, як сьогодні вважається, світом керують чотири види взаємодій: гравітаційне, електромагнітне, сильне і слабке. З них головний негравітаціонних кандидат в темні сили – слабка взаємодія. Воно на багато порядків сильніше гравітаційного, але радіус його дії обмежений розмірами атомного ядра. Саме тому воно вступає в справу дуже рідко – тільки коли частки зблизяться настільки, щоб опинитися всередині цього радіусу.

Для гіпотетичних часток, що складають основу темної матерії і досі не виявлених, придумано не найвдаліше назва – слабо взаємодіючі масивні частинки (weakly interacting massive particles або попросту вімпи). Назва не дуже вдале, бо двозначне. Його можна зрозуміти і як «частки, що у слабкій взаємодії», і як «частинки, взаємодіючі дуже слабо». Але вчені, схоже, сподіваються, що в кінцевому рахунку ці два сенсу об’єднаються. Вчені дуже хочуть з’ясувати, що ж це за звір такий – ВІМП. І намагаються зробити це всіма мислимими для сучасної науки способами. Задіяний навіть Великий адронний коллайдер. Працюючі на ньому фізики розраховують, що подвоєння потужності дозволить виявити суперсиметричні частинки, одна з яких – так зване нейтраліно – може виявитися тим самим вімпами.

суперсиметричних частинки – є партнерами звичайних частинок, їх характеристики певним чином взаємопов’язані, але вони набагато важче. Довгий час багато фізиків, зокрема академік РАН Володимир Лобашев (1934 – 2011), головним кандидатом на роль вімпами вважали нейтрино, подходившее майже за всіма параметрами. Однак у підсумку від нього довелося відмовитися – занадто мала маса. А ось гіпотетичне нейтраліно позбавлено й цього недоліку. Загалом, фізики ВАКа дуже сподіваються до кінця літа прояснити це питання.

Найпоширеніший же спосіб лову темної матерії – детектори, встановлені глибоко під землею, щоб виключити вплив космічних променів та інших перешкод, і працюють за принципом детекторів нейтрино. Їх багато по всьому світу – в США, Європі, Японії, Китаї. Результату поки немає. Час від часу дані, отримані від детекторів, призводять вчених в неймовірне збудження, і вони вже готові летіти до Стокгольма за Нобелівською премією, але потім незмінно настає гірке розчарування.

Якщо відкриття команди Мессі підтвердиться, то частина цих детекторів, можливо, так і буде штампувати нульові результати, оскільки закладена в їх основу і дуже сьогодні поширена теорія «холодної темної матерії», чиї частинки літають з нерелятівістского швидкостями, що не передбачає наявності у вімпів будь-якої взаємодії, крім гравітаційної.

Сама, мабуть, перспективна установка такого типу ось-ось буде введена в дію в Канаді. Створюється вона в підземній лабораторії SNOLAB поблизу міста Седбері, розташованої на двокілометровій глибині в діючій цинкової шахті, де знаходиться одна з головних нейтринних пасток світу. За словами розробників, DEAP (так називається ця вімповая пастка) буде найчутливішим у світі приладом для пошуку темної матерії. Правда, вона налаштована якраз на повільні вімпи. І якщо ця установка все-таки виявить невловиму темну частинку, у фізиків виникне ще один привід як слід поламати голову. Якщо ж ні – то, можливо, доведеться щось міняти і в теоріях і методах пошуку з урахуванням результатів команди Мессі.

Так чи інакше, фізики, роздратовані багаторічними невдачами, взялися за справу серйозно. І хто знає, можливо, дійсно незабаром ми станемо свідками виявлення вімпів, частинок, які багатьом здаються куди більш важливими, ніж бозон Хіггса.

Володимир Покровський

    Це цікаво Я рекомендую Твитнуть Поділитися

Схоже:

  • як ставити пастки

Comments are closed.