Що таке темна матерія? Існує темна матерія?

Питання походження Всесвіту, її минулого і майбутнього хвилювало людей з незапам'ятних часів. Протягом багатьох століть теорії виникали і спростовувалися, пропонуючи картину світу, що спирається на відомі дані. Ґрунтовним потрясінням для наукового світу стала теорія відносності Ейнштейна. Вона ж внесла величезний внесок у розуміння процесів, що формують Всесвіт. Однак і теорія відносності не могла претендувати на звання істини в останній інстанції, не вимагає будь-яких доповнень. Удосконалюються технології дозволили астрономам зробити немислимі раніше відкриття, які зажадали нової теоретичної бази або значного розширення вже існуючих положень. Одним з таких феноменів стала темна матерія. Але про все по порядку.

Справи давно минулих днів

Для розуміння терміну «темна матерія» повернемося в початок минулого століття. В той час панував уявлення про Всесвіт як про стаціонарної структурі. Між тим загальна теорія відносності (ЗТВ) передбачала, що рано чи пізно сила тяжіння призведе до «злипання» всіх об'єктів космосу в єдиний клубок, відбудеться так званий гравітаційний колапс. Між космічними об'єктами не існує сил відштовхування. Взаємне тяжіння компенсується відцентровими силами, створюють постійний рух зірок, планет та інших тел. Таким чином підтримується рівновага системи.

Для того щоб запобігти теоретичний колапс Всесвіту, Ейнштейн ввів космологічну постійну - величину, що приводить систему в необхідний стаціонарний стан, але при цьому фактично вигадану, не має очевидних підстав.

Розширюється Всесвіт

Обчислення і відкриття Фрідмана та Хаббла показали відсутність необхідності порушувати стрункі рівняння ЗТВ за допомогою нової постійної. Було доведено, і сьогодні цей факт практично ні в кого не викликає сумнівів, що Всесвіт розширюється, у неї було колись-то початок, і про стаціонарність мови йти не може. Подальший розвиток космології призвело до появи теорії великого вибуху. Головне підтвердження нових припущень — спостережуване збільшення з часом відстані між галактиками. Саме вимірювання швидкості видалення один від одного сусідніх космічних систем і призвело до формування гіпотези про те, що існує темна матерія і темна енергія.

Дані, які не узгоджуються з теорією

Фриц Цвикки в 1931 році, а потім і Ян Оорт в 1932-му і в 1960-х займалися підрахунком маси речовини галактик у віддаленому скупченні і співвідношення її зі швидкістю видалення їх один від одного. З разу в раз вчені приходили до одним і тим же висновків: такої кількості речовини недостатньо, щоб створювана їм гравітація могла утримати разом галактики, що рухаються з великими швидкостями. Цвикки і Оорт припустили, що існує прихована маса, темна матерія Всесвіту, не дозволяє космічним об'єктам розлетітися в різні боки.

Проте гіпотеза отримала визнання наукового світу тільки в сімдесятих роках, після оголошення результатів роботи Рубін Віри. Вона побудувала криві обертання, наочно демонструють залежність швидкості руху речовини галактики від відстані, яка відділяє його від центру системи. Всупереч теоретичним припущенням виявилося, що швидкості зірок у міру видалення від галактичного центру не зменшуються, а зростають. Пояснити таку поведінку світил можна було тільки наявністю у гало галактики, яке заповнює темна матерія. Астрономія, таким чином, зіткнулася з абсолютно невивченою частиною світобудови.

Властивості і склад

Темної цей вид матерії називають тому, що її не можна побачити ніякими існуючими способами. Її присутність розпізнається за непрямим ознакою: темна матерія створює гравітаційне поле, при цьому не випромінюючи абсолютно електромагнітних хвиль.

Найважливішим завданням, що виникла перед вченими, стало отримання відповіді на питання про те, з чого складається ця матерія. Астрофізики намагалися «наповнити» її звичним барионным речовиною (барионная матерія складається з більш або менш вивчених протонів, нейтронів і електронів). У темний гало галактик включали компактні слабоизлучающие зірки типу коричневих карликів і величезні, по масі наближені до Юпітера планети. Однак подібні припущення не витримували перевірки. Барионная матерія, звична і відома, таким чином, не може відігравати істотної ролі у прихованої маси галактик.

Сьогодні пошуком невідомих складовихзаймається фізика. Практичні дослідження вчених ґрунтуються на теорії суперсиметрії мікросвіту, згідно з якою для кожної відомої частки існує суперсимметричная пара. Ось вони-то і складають темну матерію. Однак доказів існування таких частинок поки отримати не вдалося, можливо, це справа найближчого майбутнього.

Темна енергія

Відкриттям нового типу матерії не закінчилися сюрпризи, які підготувала Всесвіт вченим. У 1998 році астрофізикам представився ще один шанс зіставити дані теорій з фактами. Цей рік ознаменувався вибухом наднової зірки в далекій від нас галактиці. Астрономи виміряли відстань до неї і вкрай здивувалися отриманими даними: зірка спалахнула набагато далі, ніж це повинно було бути відповідно до існуючої теорії. Виявилося, що швидкість розширення Всесвіту з часом збільшується: зараз вона набагато вища, ніж була 14 мільярдів років тому, коли імовірно стався великий вибух.

Як відомо, щоб прискорити рух тіла, йому потрібно передати енергію. Силу, яка змушує Всесвіт розширюватися швидше, стали називати темною енергією. Це не менш загадкова частина космосу, ніж темна матерія. Відомо лише, що для неї характерно рівномірний розподіл по всій Всесвіту, а зареєструвати її вплив можна лише на величезних космічних відстанях.

І знову космологічна постійна

Темна енергія похитнула теорію великого вибуху. Частина наукового світу скептично ставиться до можливості подібної субстанції і викликаного їй прискорення розширення. Деякі астрофізики намагаються відродити забуту космологічну постійну Ейнштейна, яка знову з розряду великої наукової помилки може перейти в число робочих гіпотез. Її присутність у рівняннях створює антигравитацию, що приводить до прискорення розширення. Однак деякі слідства наявності космологічної постійної не узгоджуються з даними спостережень.

Сьогодні темна матерія і темна енергія, що становлять більшу частину речовини у Всесвіті, — загадки для вчених. Однозначної відповіді на питання про їх природі немає. Більше того, можливо, це не остання таємниця, що зберігає від нас космос. Темна матерія і енергія можуть стати передвісником нових відкриттів, здатних перевернути наше уявлення про будову Всесвіту.