Что такое темная материя и как обнаружить то, что нельзя обнаружить?

Как ученые узнали массу звезд, планет, как измерили вес целых галактик? На самом деле в этом нет ничего сложного — зная спектры различных материалов, и их объемы, не сложно рассчитать и все остальное, причем сомневаться в точности таких расчетов нет никаких оснований. Тем не менее, есть в этом царстве космической логики и загадки, разрешить которые математика не может.

В первую очередь это касается проблемы «лишнего веса» галактик, а иначе говоря о таком загадочном явлении, как темная материя.

Что такое темная материя и сколько её в космосе

Мы считаем, что знаем из чего состоит космос. А на самом деле не можем объяснить происхождение 90% всей массы нашей галактики! Что же представляет собой таинственная «темная материя»?

Расчетный анализ вращения тел в нашей галактике показал, что масса галактики должна быть как минимум в десять раз больше той, которую мы определяем по видимым объектам.

Значит, помимо гало, балджа и звездного диска, вместе с находящимся в них наблюдаемыми звездами и газом, есть огромные количества некого невидимого вещества, которое проявляет себя только в гравитационном взаимодействии, но не фиксируется никакими приборами.

Его-то и назвали темной материей. Диск и гало Галактики погружены в корону темной материи, размеры и масса которой в 10 раз больше, чем размеры диска и масса видимого вещества Галактики!

Попытки объяснить существование темной материи

Все что написано выше звучит невероятно в век космических достижений, правда? Но факт остается фактом — сейчас мы даже не представляем, из чего состоит то таинственное вещество, в основном заполняющее Вселенную!

По одной из гипотез часть темной материи может заключаться в звездах типа коричневые карлики, в плотных и холодных молекулярных облаках, которые имеют малый размер и недоступны для обычных наблюдений, а также в огромном количестве нейтрино, которые имеют ненулевую массу покоя и заполняют периферию Галактики.

Большинство космологов предполагает, что темное вещество состоит не из барионов (то есть привычного нам «измеримого» вещества), а из неких экзотических частиц, оставшихся после Большого взрыва. Главенствующая версия выглядит примерно так (в упрощенном виде): частицы будущей «темной материи» при рождении вселенной находились в термодинамическом равновесии с частицами космической плазмы.



В определённый момент времени температура упала настолько, что среднее время пролёта частиц темной материи в плазме превысило хаббловское, то есть говоря по-простому, частицы настолько «заморозились», что всякая их реакция с окружающим пространством (т.е. с барионным веществом) прекратилась. Потому, дескать, мы и не можем их измерить — частицы темной материи просто «частично выпали» из нашего мира. Взаимодействовать с ними мы не можем, а вот вес «чувствуем».

Темная масса существует не только в нашей Галактике. Так, в середине восьмидесятых годов было установлено, что Местная группа галактик движется со скоростью более 600 км/с в сторону большого сверхскопления галактик. Эта скорость слишком велика, чтобы ее можно было объяснить гравитационным действием наблюдаемых галактик. Она свидетельствует о присутствии темной массы и между галактиками.

Гравитационные линзы и темная материя

Наблюдения слабых галактик с помощью чувствительных матриц позволили не просто подтвердить наличие скрытой массы в скоплениях галактик, но и «картографировать» ее распределение в скоплениях.

В данном случае гравитация скопления «работает» в качестве своеобразной собирающей линзы для изображений слабых голубых галактик  находящихся далеко за самим скоплением. При этом изображения далеких галактик искажаются, «вытягиваясь» в дуги разной длины с центром, совпадающим с центром скопления.

темная материаля, вселенная и гравитационные линзы

Иллюстрация того, как работает эффект гравитационной линзы. Темная материя также искажает видимое пространство.

Иными словами, природа сама придумала для астрофизиков гигантский всеволновой космический телескоп, основанный на эффекте гравитационного линзирования. Это явление, основанное на общей теории относительности, было теоретически предсказано в тридцатые годы ХХ века Альбертом Эйнштейном.

Суть его такова: если на пути света от далекого источника до нас есть какой-либо массивный объект, например галактика, то лучи света в ее поле тяготения будут искривляться, и галактика выступит в роли линзы, собирающей свет. Результат, в частности, может заключаться в появлении кратного (двойного, тройного и т.д.) изображения одного и того же объекта, или усиления его яркости, если Земля оказалась на нужном расстоянии от гравитационной линзы.

Первая гравитационная линза была открыта в 1979 г. Это был квазар.  Сейчас известно уже более 25 гравитационных линз, причем большинство из них не объяснимо ни чем кроме как воздействием темной материи. Среди гравитационных линз встречаются образования различной формы, а самыми эффектными выглядят кресты и кольца Эйнштейна.

Природа же скрытой массы во Вселенной остается неясной до настоящего времени.


Список источников литературы