Що таке матерія чорна? Теорія темної матерії

Що було першим: яйце чи курка? Над цим простим питанням вчені всього світу б'ються не один десяток років. Аналогічне питання виникає про те, що було на самому початку, в момент створення Всесвіту. А було воно, це створення, або Всесвіти циклічні або нескінченні? Що таке чорна матерія в космосі і чим вона відрізняється від білої? Відкидаючи в сторону різного роду релігії, спробуємо підійти до відповідей на ці питання з наукової точки зору. За минулі кілька років вченим вдалося зробити неймовірне. Напевно, вперше в історії викладки фізиків-теоретиків зійшлися з викладками фізиків-експериментаторів. Науковому співтовариству за ці роки було подано кілька різних теорій. Більш або менш точно, емпіричними шляхами, часом квазинаучно, однак теоретичні розрахункові дані були-таки підтверджені експериментами, деякі навіть з затримкою на не один десяток років (бозон Хіггса, наприклад).

Темна матерія - чорна енергія

Таких теорій багато, наприклад: теорія Струн, теорія Великого вибуху (Big Bang), теорія циклічних Всесвітів, теорія паралельних Всесвітів, Модифікована Ньютоновская динаміка (MOND), теорія стаціонарного Всесвіту Ф. Хойла та інші. Проте в даний час загальноприйнятою вважається теорія постійно розширюється і еволюціонує Всесвіту, тези якої цілком укладаються в рамках концепції Великого вибуху. При цьому квазиэмпирически (тобто дослідним шляхом, але з великими допусками і грунтуючись на існуючих сучасних теоріях будови мікросвіту) були отримані дані про те, що всі відомі нам мікрочастинки становлять лише 402 % від загального обсягу всього складу Всесвіту. Це так званий "баріонів коктейль", або барионная матерія. Однак основна частина нашого Всесвіту (більше 95%) - це речовини іншого плану, іншого складу і властивостей. Це так звана чорна матерія і чорна енергія. Вони ведуть себе інакше: по-іншому реагують на різного роду реакції, не фіксуються існуючими технічними засобами, виявляють не вивчені раніше властивості. З цього можна зробити висновок, що або ці речовини підпорядковуються іншим законам фізики (Неньютонова фізика, словесний аналог Неевклідової геометрії), або наш рівень розвитку науки і техніки знаходиться лише на початковому етапі її становлення.

Що таке баріони?

Згідно з існуючою в даний час кварк-глюонної моделі сильних взаємодій елементарних частинок всього шістнадцять (і недавнє відкриття бозона Хіггса це підтверджує): шість типів (флэйворов) кварків, вісім глюонов і два бозона. Баріони - це важкі елементарні частинки з сильною взаємодією. Найвідоміші з них - це кварки, протон і нейтрон. Родини таких речовин, що розрізняються за спину, масам, їх "кольору", а також числах "зачарованості", "дивацтва", як раз і є цеглинками того, що ми називаємо барионная матерія. Чорна (темна) матерія, що складає 218 % від загального складу Всесвіту, складається з інших частинок, не випускають електромагнітного випромінювання і ніяк з ним не реагують. Тому для прямого спостереження як мінімум, а вже тим більше для реєстрації таких речовин необхідно для початку зрозуміти їх фізику і узгодити закони, яким вони підпорядковуються. Багато сучасні вчені в даний час займаються цією справою у науково-дослідних інститутах різних країн.

Найімовірніший варіант

Які ж речовини розглядаються в якості можливих? Для початку слід зазначити, що існує лише два можливих варіанти. Згідно ОТО і СТО (Загальної і Спеціальної теорії відносності), за складом цією речовиною може бути як барионная, так і небарионная темна матерія (чорна). Згідно основної теорії Великого вибуху, будь-яка існуюча матерія представлена у вигляді баріонів. Ця теза доведена з гранично високою точністю. В даний час вчені навчилися фіксувати частинки, що утворилися через хвилину після розриву сингулярності, тобто після вибуху надщільного стану речовини, з масою тіла, що прагне до нескінченності, і розмірами тіла, прагнуть до нуля. Сценарій з барионными частками найбільш ймовірний, так як саме з них складається та за допомогою них продовжує своє розширення наша Всесвіт. Чорна матерія, згідно з цим припущенням, складається з основних, загальноприйнятих Ньютонівською фізикою частинок, але з якихось причин слабовзаимодействующих електромагнітним чином. Саме тому детектори їх не фіксують.

Не все так гладко

Такий сценарій влаштовує багатьох вчених, однак все ж залишається більше питань, ніж відповідей. Якщо і чорна, і біла матерія представлена тільки баріонів, то концентрація легких баріонів в процентному співвідношенні до тяжких, в результаті первинного нуклеосинтеза, повинна бути іншою в початкових астрономічних об'єктах Всесвіту. Та й експериментально не виявлено наявність в нашій галактиці рівноважного достатньої кількості великих об'єктів гравітації, таких як чорні діри або нейтронні зірки, для зрівноважування маси гало нашого Чумацького Шляху. Однак ті ж самі нейтронні зірки, темні галактичні гало, чорні діри, білі, чорні та коричневі карлики (зірки в різних стадіях свого життєвого циклу), найімовірніше, входять до складу темного речовини, з якого складається темна матерія. Чорна енергія також може доповнювати їх начинку, в тому числі і в передбачених гіпотетичних об'єктах, таких як преонні, кварковые і Q-зірки.

Небарионные кандидати

Другий сценарій передбачає небарионное початок. Тут в якості кандидатів можуть виступати кілька видів частинок. Наприклад, легкі нейтрино, існування яких вже доведено вченими. Однак їх маса, близько від однієї сотої до однієї десятитисячної ев (електрон-Вольт), що практично виключає їх з можливих часток з-за недосяжності необхідної критичної щільності. А ось важкі нейтрино, парні важким лептонам, практично не проявляють себе в слабких взаємодіях в звичайних умовах. Такі нейтрино називають стерильними, вони зі своєю максимальною масою до однієї десятої ев з більшою ймовірністю підходять в якості кандидатів частинок темної матерії. Аксіони і космионы були штучно введені в фізичні рівняння для вирішення проблем у квантовій хромодинамике і у стандартної моделі. Разом з іншою стабільної суперсимметричной часткою (SUSY-LSP) вони цілком можуть претендувати кандидати, так як не беруть участі в електромагнітному і сильному взаємодіях. Однак, на відміну від нейтрино, вони все ж гіпотетичні, їх існування ще необхідно довести.

Теорія чорної матерії

Недолік маси у Всесвіті породжує на цей рахунок різні теорії, деякі з яких цілком спроможні. Наприклад, теорія про те, що звичайна гравітація не здатна пояснити дивне і непомірно швидке обертання зірок в спіральних галактиках. При таких швидкостях вони б просто вилетіли за її межі, якби не якась утримуюча сила, зареєструвати яку поки не представляється можливим. Інші тези теорій пояснюють неможливість отримання вимпов (масивні электрослабовзаимодействующие частинки-партнери елементарних субчастиц, суперсиметричні і надважкі - тобто ідеальні кандидати) в земних умовах, так вони живуть в n-вимірі, що відрізняється в більшу сторону від нашого тривимірного. З теорії Калуци-Клейна такі вимірювання для нас недоступні.

Мінливі зірки

Інша теорія описує, як змінні зірки і чорна матерія взаємодіють між собою. Блиск такої зірки може змінюватися не тільки завдяки метафізичним процесів, що відбуваються всередині (пульсація, хромосферная активність, викид протуберанців, перетікання і затемнення в подвійних зоряних системах, вибух наднової), але і завдяки аномальних властивостей темної речовини.

ВАРП-двигун

За однією з теорій, що темна матерія може використовуватися в якості палива для субпространственных двигунів космічних кораблів, які працюють за гіпотетичної ВАРП-технології (WARP Engine). Потенційно такі двигуни дозволяють кораблю рухатися зі швидкостями, що перевищують швидкість світла. Теоретично вони здатні викривляти простір і позаду корабля і переміщати його в ньому навіть швидше, ніж електромагнітна хвиля розганяється у вакуумі. Сам корабель локально не прискорюється - викривляється лише просторове поле перед ним. У багатьох фантастичних оповіданнях застосовується така технологія, наприклад в сазі Star Trek.

Вироблення в земних умовах

Спроби згенерувати і отримати чорну матерію на землі все ще не привели до успіху. В даний час проводяться досліди на Баку (Великому Андронному Колайдері), саме там, де вперше зафіксували бозон Хіггса, а також на інших, менш потужних, в тому числі і лінійних колайдерах в пошуках стабільних, але електромагнітно слабовзаимодействующих партнерів елементарних частинок. Однак ні фотино, ні гравитино, ні хигсино, ні снейтрино (нейтралино), а також інші вимпы (WIMP) ще не отримані. За попередньою обережною оцінкою вчених, для отримання одного міліграма темної матерії в земних умовах необхідний еквівалент енергії, споживаної в США протягом року.