Примерно 80 процентов массы Вселенной состоит из материала, который ученые не могут непосредственно наблюдать. Этот странный ингредиент, известный как темная материя, не излучает свет или энергию. Так почему ученые считают, что он доминирует?
Исследования других галактик в 1950-х годах впервые показали, что во Вселенной содержится больше материи, чем видно невооруженным глазом. Поддержка темной материи возросла, и хотя не было обнаружено никаких прямых прямых доказательств темной материи, сильные возможности в былые времена.
«Движения звезд говорят о том, сколько там материи», - сказал Питер ван Доккум, исследователь из Йельского университета. заявление , «Им все равно, в чем дело, они просто говорят, что это там». Ван Доккум возглавил команду, которая определила галактику Стрекоза 44 , который состоит почти полностью из темной материи.
Знакомый материал Вселенной, известный как барионная материя, состоит из протонов, нейтронов и электронов. Темная материя может быть изготовлена из барионной или небарионной материи. Чтобы удерживать элементы вселенной вместе, темная материя должна составлять примерно 80 процентов ее материи. [Галерея: Темная материя во Вселенной ]
Отсутствующее вещество может быть просто более сложным для обнаружения, состоящее из обычного барионного вещества. Потенциальные кандидаты включают тусклых коричневых карликов, белых карликов и нейтринных звезд. Супермассивная черные дыры также может быть частью разницы. Но эти трудно обнаруживаемые объекты должны были бы играть более доминирующую роль, чем ученые наблюдали, чтобы составить недостающую массу, в то время как другие элементы предполагают, что темная материя является более экзотической.
Большинство ученых считают, что темная материя состоит из небарионной материи. Ведущий кандидат, слабаков (слабо взаимодействующие массивные частицы), имеют в десять-сто раз больше массы протона, но их слабое взаимодействие с «нормальной» материей затрудняет их обнаружение. Нейтралино, массивные гипотетические частицы, более тяжелые и медленные, чем нейтрино, являются главным кандидатом, хотя их еще предстоит обнаружить.
Стерильные нейтрино являются еще одним кандидатом. Нейтрино - это частицы, которые не составляют регулярную материю. Река нейтрино вытекает из Солнца, но поскольку они редко взаимодействуют с нормальной материей, они проходят через Землю и ее обитателей. Есть три известных типа нейтрино; четвертый, стерильное нейтрино, предлагается в качестве кандидата на темную материю. Стерильное нейтрино будет взаимодействовать с обычным веществом только под действием силы тяжести.
«Один из нерешенных вопросов заключается в том, существует ли какая-то структура фракций, которые входят в каждый вид нейтрино», - говорит Тайс ДеЮнг, доцент кафедры физики и астрономии в Университете штата Мичиган и сотрудник Эксперимент IceCube , сказал Space.com ,
Меньший нейтральный аксион и неизведанные фотино также являются потенциальными заполнителями для темной материи.
Согласно заявление Национальная лаборатория Гран Сассо в Италии (LNGS): «Несколько астрономических измерений подтвердили существование темной материи, что привело к всемирным усилиям по непосредственному наблюдению взаимодействий частиц темной материи с обычной материей в чрезвычайно чувствительных детекторах, что подтвердило бы ее существование и пролить свет на его свойства. Тем не менее, эти взаимодействия настолько слабые, что они избежали прямого обнаружения до этого момента, заставляя ученых создавать детекторы, которые становятся все более и более чувствительными ".
Существует третья возможность - законы гравитации, которые до сих пор успешно описывали движение объектов в солнечной системе, требуют пересмотра.
Доказательство невидимого
Если ученые не могут видеть темная материя откуда они знают, что он существует?
Ученые рассчитывают массу крупных объектов в космосе, изучая их движение. Астрономы, исследующие спиральные галактики в 1950-х годах, ожидали увидеть материал в центре, движущийся быстрее, чем на внешних краях. Вместо этого они обнаружили, что звезды в обоих местах путешествовали с одинаковой скоростью, указывая на то, что галактики содержали больше массы, чем можно было увидеть. Исследования газа в эллиптических галактиках также показали необходимость в большей массе, чем в видимых объектах. Скопления галактик разлетелись бы на части, если бы единственная масса, которую они содержали, была видна обычным астрономическим измерениям.
Эти иллюстрации, взятые из компьютерного моделирования, показывают рой скоплений темной материи вокруг нашей галактики Млечный Путь. Изображение выпущено 10 июля 2012 г.
(Изображение: © J. Tumlinson (STScI))
Альберт Эйнштейн показали, что массивные объекты во вселенной изгибаются и искажают свет, позволяя использовать их в качестве линз. Изучая, как искажается свет скоплениями галактик, астрономы смогли создать карта темной материи во вселенной.
Все эти методы дают четкое указание на то, что большая часть материи во вселенной еще не видна.
Эксперименты
Хотя темная материя отличается от обычной материи, существует ряд экспериментов, направленных на обнаружение необычного материала.
Альфа-магнитный спектрометр (АМС) , детектор чувствительных частиц на Международной космической станции, работает с момента его закапывания в 2011 году.
До настоящего времени AMS отследила более 100 миллиардов попаданий космических лучей в своих детекторах, ведущий ученый AMS Самуэль Тинг, лауреат Нобелевской премии в Массачусетском технологическом институте, сказал Space.com ,
«Мы измерили избыток позитронов [аналога антивещества для электрона], и этот избыток может исходить от темной материи. Но в этот момент нам все еще нужно больше данных, чтобы убедиться, что это от темной материи, а не от какой-то странной астрофизики источники ", сказал Тин. «Это потребует от нас еще нескольких лет».
На Земле, под горой в Италии, LENGS XENON1T ищет признаки взаимодействия после столкновения WIMP с атомами ксенона. В лаборатории недавно были опубликованы первые результаты эксперимента.
«Новый этап в гонке по обнаружению темной материи с помощью массивных детекторов ультранизкого фона на Земле только начался с XENON1T», - заявила представитель проекта Елена Априле, профессор Колумбийского университета. заявление , «Мы гордимся тем, что на переднем крае гонки с этим удивительным детектором, первым в своем роде».
Большой подземный ксеноновый эксперимент с темной материей (LUX) Расположенный на золотом руднике в Южной Дакоте, он также охотился за признаками взаимодействия WIMP и ксенона. На сегодняшний день инструмент не раскрыл загадочную материю.
«Хотя положительный сигнал был бы желанным, природа не была такой доброй!» Чам Гхаг, физик из Университетского колледжа Лондона и сотрудник LUX, сказал в своем заявлении. «Тем не менее, нулевой результат важен, так как он меняет ландшафт поля, ограничивая модели тем, что темная материя может быть за пределами того, что существовало ранее».
Нейтринная обсерватория IceCube , эксперимент, похороненный под льдом Антарктиды, охотится за стерильными нейтрино. Стерильные нейтрино взаимодействуют с обычным веществом только под действием силы тяжести, что делает его сильным кандидатом в темную материю.
Другие инструменты охотятся не за темной материей, а за ее эффектами. Европейское космическое агентство Космический корабль планка строит карту вселенной с момента ее запуска в 2009 году. Наблюдая за тем, как взаимодействует масса вселенной, космический корабль может исследовать как темную материю, так и ее партнера, темную энергию.
В 2014 году НАСА Гамма-космический телескоп Fermi сделал карты сердца Млечного Пути в гамма-свете, обнаруживая избыток гамма-излучения, выходящего из его ядра.
«Сигнал, который мы находим, не может быть объяснен предлагаемыми в настоящее время альтернативами и находится в тесном согласии с предсказаниями очень простых моделей темной материи», - говорит ведущий автор Дэн Хупер, астрофизик из Фермилаба в Иллинойсе, сказал Space.com ,
По словам исследователей, избыток можно объяснить аннигиляцией частиц темной материи с массой от 31 до 40 миллиардов электрон-вольт. Результат не считается курящим пистолетом для темной материи, поскольку для подтверждения интерпретации потребуются дополнительные данные из других проектов наблюдений и / или экспериментов с прямым обнаружением.
Темная материя против темной энергии
Хотя темная материя составляет большую часть материи вселенной, она составляет только около четверти состава. Во вселенной доминирует темная энергия ,
После Большого взрыва вселенная начала расширяться наружу. Ученые однажды подумали, что в конечном итоге энергия израсходуется, и она замедлится, когда гравитация притянет к себе предметы внутри нее. Но исследования далеких сверхновых показали, что сегодня вселенная расширяется быстрее, чем в прошлом, а не медленнее, что указывает на ускорение расширения. Это было бы возможно, только если бы во вселенной было достаточно энергии для преодоления гравитации - темной энергии.
Астрономы знают больше о том, чем не является темная материя, чем она есть на самом деле. Посмотрите, что ученые знают о темной материи в этой инфографике Space.com ,
(Изображение: © Карл Тейт, художник инфографики Space.com)
Следуйте Нола Тейлор Редд в @NolaTRedd , facebook , или же Google+ , Подпишитесь на нас в @Spacedotcom , facebook или же Google+ ,
Так почему ученые считают, что он доминирует?