Впервые существование темной материи заподозрил американский астрофизик Фриц Цвикки. Он наблюдал за скоплениями галактик в созвездии Волосы Вероники и обнаружил, что их видимая масса на самом деле меньше, чем должна быть. 40 лет спустя его подозрения в своих исследованиях подтвердила астроном Вера Ру́бин. После этого окончательно стало ясно, что во Вселенной существует другая материя и даже энергия, которые и составляют основную массу пространства. Их прозвали темными.
Чтобы проверить данную теорию, проводились и другие исследования:
- Убывание скорости вращение галактик. Оно не происходит по одной простой причине – их реальная масса и видимая не совпадают.
- Изучение объектов галактики показали, что их общая масса намного меньше, чем масса всей галактики.
- Эллиптические галактики не могли бы удержать горячий газ, если бы имели массу, равную видимой.
После всех этих исследований были обнаружены несколько свойств темной материи. Например, она может взаимодействовать с видимой. Так как темное вещество намного плотнее обычного, то оно может захватывать его частицы с помощью гравитационных ям.
Согласно исследованиям о составе Вселенной темная энергия в ней составляет почти 70%. Видимая материя занимает около 5%, а темная в пять раз больше.
Что входит в тёмную материю (теории)
Барионная тёмная материя. Такого во Вселенной крайне мало, но все же встречается. Это все та же видимая материя, но имеющая крайне слабое электромагнитное взаимодействие. Из-за этого ее крайне сложно выявить. Она может содержаться в черных дырах, нейтронных звездах и прочих.
Небарионная тёмная материя. Согласно теории, такого вещества в космосе гораздо больше. Оно и составляет основу всей Вселенной. Но все это лишь предположения.
Лёгкие нейтрино. Существование этих частиц уже доказано, и их должно быть очень много. Пусть их масса совсем мала, но в огромном количестве они действительно могут влиять на пространство.
Тяжёлые нейтрино. У этих частиц полностью отсутствует способность к слабому взаимодействию. В отличие от легких, тяжелые нейтрино действительно могут составлять большую часть темной материи.
Аксионы. Возможно, в темном веществе содержится огромная доля аксионов, но их существование еще даже не доказано. Поэтому они все еще являются гипотетическими частицами.
Суперсимметричные частицы. Они могут составлять львиную долю темной материи уже хотя бы потому, что не имеют сильного и электромагнитного взаимодействия. На данный момент они еще не доказаны, и ученые склоняются к тому, что легчайшая суперсимметричная частица всего одна. Она так и называется LSP (Lightest Supersymmetric Particle).
Космионы. Еще одна гипотетическая частица, которая введена в обиход только для решения некоторых задач. Скорее всего, после подтверждения необходимых теорий, ее вовсе уберут и предполагаемого состава темного вещества.
Дефекты пространства-времени. Они могут образовываться в результате взаимодействия областей вакуума с разной энергией. В этом случае получаются весьма тяжелые частицы, которые и могут доминировать в темной материи, но их все еще не обнаружили.
Классификация
Согласно космологии Большого взрыва, в самом начале времен температура темной материи и плазмы была одинаковая. Затем она начала снижаться, изменяя и характеристики частиц. Вследствие этого, видимое и темное вещество практически перестали взаимодействовать друг с другом. Темную материю можно разделить на три вида в зависимости от ее температуры:
- Горячая. Это происходит из-за того, что энергия частиц намного больше, чем их масса, поэтому возрастает температура самого вещества.
- Холодная. Холодные частицы «замедлены». Из-за того, что они покинули плазму в нерелятивистском состоянии, они не могут разогнаться до околосветовых скоростей. Конкретных частиц пока, естественно, не обнаружено, но существуют гипотетические – вимпы. Они имеют высокую массу и крайне низкое взаимодействие. Но они все же могут «связываться» с частицами видимой материи, поэтому их обнаружение может быть гораздо проще, чем всех остальных в темном веществе.
- Тёплая. Это вещество тоже должно состоять из достаточно массивных частиц, которые могли образоваться в результате расширения Вселенной.
Изучение тёмной материи
Каким же образом можно изучать вещество, которое даже обнаружить нельзя? На данный момент существует три основных метода:
- Динамический. Прямое изучение радиальных скоростей галактик.
- Газодинамический. Изучение рентгеновских лучей.
- Гравитационное линзирование. Позволяет наблюдать даже самые удаленные галактики.
Фактическое обнаружение частиц
Состав темной материи так сложно узнать, потому что у ее частиц даже нет заряда. Но обнаружить их все же можно с помощью двух методов:
- Прямой. Прямое изучение взаимодействия частиц барионной и темной материи.
- Косвенный. Изучение последствий некоторых событий, к примеру, аннигиляции вещества.
Темная материя – одна из многих тайн Вселенных, изучение которых нам еще предстоит. Сегодня мы можем сказать наверняка лишь одно – о точном устройстве космоса мы не знаем практически ничего.
