Цивилизация
Откуда взялась идея темной материи?
В астрономии есть две взаимосвязанные величины: скорость движения тела по орбите и масса тела, вокруг которого оно вращается. В XX веке, когда исследователи научились определять массу всех звезд в галактике, то заметили, что те вращаются вокруг галактического центра неправильно. Края спирали движутся намного быстрее, чем должны, как если бы на них воздействовала невидимая масса, распределенная, в том числе, вокруг видимой части галактики. Более того, масса этой неизвестной материи должна намного превосходить совокупную массу звезд. Это не было ошибкой наблюдения, поскольку подтверждалось другими методами. Например, массу далекой галактики можно оценить по тому, как она искривляет лучи света за счет гравитационного линзирования. Такие расчеты тоже показывали присутствие скрытой массы, и со временем ее стали называть темной материей.
Изначально это было лишь абстрактное понятие, которое обозначало неизвестный невидимый материал, составляющий большую часть вещества галактики. Многие астрономы думали, что, быть может, это какие-то тусклые, но понятные объекты, вроде коричневых карликов, нейтронных звезд или черных дыр. Однако чем больше ученые накапливали знания, тем острее понимали, что это невозможно. Поэтому доминирующая на сегодня теория гласит, что темная материя состоит из частиц неизвестного типа, которые почти не взаимодействуют со светом (и в целом с обычной материей), а обладают лишь массой и гравитацией.
Можно ли увидеть невидимое?
Понять, что это за частицы — одна из важнейших задач современной науки, которой занимаются физики-теоретики. Подходов в их работе существует масса, но в общем виде она сводится к тому, чтобы делать предположения о свойствах этих частиц, исходя из этих свойств проводить моделирование поведения и сравнивать его с тем, что мы наблюдаем во Вселенной.
Схематическое изображение облака частиц темной материи и его сжатия в каплю
В самой грубой форме понять свойства этих частиц можно с помощью простого логического рассуждения. Представим, что масса масса элементарной частицы — ее определяющее свойство одной темной материи частицы сравнима с массой звезды. В таком случае они, двигаясь по галактике, за счет гравитации бы разбили все звездные скопления, но звездные скопления существуют. Значит, их масса существенно ниже солнечной.
Нижний предел массы этих частиц можно вычислить схожим образом. Квантовые частицы подчиняются принципу неопределенности, в частности, не имеют четкого положения в пространстве и скорее напоминают облако. Чем меньше масса, тем это облако больше, и в конце концов, размер этого облака может оказаться столь большим, что оно не поместится в галактике, — а мы знаем, что темная материя жестко привязана к ним. Точность координаты может быть большей, но за счет роста неопределенности скорости движения. Если эта неопределенность будет выше скорости в 30 км/с, то частицы преодолеют гравитацию карликовых галактик и вылетят из них (Звезды, как и частицы темной материи, вращаются по орбите вокруг центра галактики). Имея эти два ограничения, физики вычислили, что масса частиц темной материи должна быть больше, чем 10-22 эВ, что на 27 порядков меньше массы электрона.
В чем заключается недавнее открытие?
Имея верхнюю и нижнюю границу массы, российские ученые из Института ядерных исследований РАН провели серию моделирования поведения частиц темной материи в галактике на суперкомпьютере. Упрощенно можно сказать, что их интересовала «сверхлегкая» (с массой частицы 10-22 эВ) и «просто легкая» материя (10-5 эВ, на 10 порядков меньше массы электрона).
В итоге физики пришли к неожиданному результату: оказалось, что скопления такой темной материи могут образовывать бозе-эйнштейновский конденсат. Так называют состояние вещества, охлажденного до почти абсолютного нуля, где большое число атомов имеет минимально возможную энергию. Иначе говоря, тепловое движение атомов останавливается, и они замирают, что порождает ряд физических эффектов, например, сверхтекучесть. Сам факт этого открытия удивителен для физиков: считалось, что в бозе-эйнштейновский конденсат атомы переходят за счет электромагнитного взаимодействия друг с другом, и достичь того же эффекта с помощью одной лишь гравитации невозможно.
Как же ведет себя такая темная материя?
Такие свойства темной материи предполагают ее особенное поведение в галактике. Она должна стягиваться в круглые капли, но необычного рода. Как было сказано выше, чем меньше масса квантовой частицы, тем больше размер ее облака. Таким образом, капля легкой и сверхлегкой темной материи — это огромное количество размытых облаков, находящихся одно в другом и не «мешающих» друг другу.
Наиболее интересные результаты показало моделирование поведения «просто легкой» темной материи (10-5 эВ). Она должна образовывать в галактике множество мелких скоплений (облаков), подобных звездным, с совокупной массой каждого как у крупного астероида. Эти скопления, размером примерно с земную орбиту, летают по галактике, и постепенно собираются в капли бозе-конденсата.
«В статье 2018 года мы доказали лишь сам факт, что темная материя в облаке должна сливаться в капли. Это было мало кому интересно, поскольку астрономы не могут обнаружить малые объекты. Однако в недавних исследованиях мы выяснили, что капли растут, засасывая летающую вокруг темную материю, и их масса может достичь массы астероида. Можно назвать выросшую каплю бозе-астероидом, хотя это мой авторский термин, который нельзя считать научным. Диаметр такого тела получается около 100 км», — рассказал «Газете.Ru» Дмитрий Левков, старший научный сотрудник ИЯИ и один из авторов работы.
Может ли бозе-астероид врезаться в Землю?
Несмотря на то, что материя называется темной, бозе-астероид будет идеально прозрачным в любых диапазонах: для радиоволн, для видимого света, для рентгеновского излучения и даже для электронных лучей. Тела ощущаются твердыми из-за электромагнитного отталкивания ядер атомов, — а темная материя неспособна (или почти неспособна) к такому взаимодействию. Следовательно, такой астероид будет совершенно неосязаемым и не ощутится даже как газ.
Однако это не превращает его в знаменитый чайник Рассела(Это шутливая философская абстракция — невидимый неосязаемый чайник, который вращается по орбите вокруг Земли, но никак ни на что не влияет и не требуется для объяснения феноменов. Следовательно, его существование и свойства бессмысленно обсуждать). Бозе-астероид действительно способен пройти сквозь Землю, подобно бесплотному духу, — но у него есть гравитация, которая действует сама по себе. Например, лунное тяготение вызывает смещение масс воды в океане и слегка деформирует Землю. В случае бозе-астероида детали зависят от скорости движения и многих других параметров, но он, вероятно, способен вызвать землетрясение.
Однако без землетрясения обнаружить подобное тело будет непросто. В теории их гравитация искривляет пути лучей света, подобно линзе, но столь слабо, что современные телескопы этого не увидят. Другой гипотетический способ связан с наблюдением быстрых радиовсплесков. Астрономы регулярно фиксируют в небе вспышки радиоизлучения длиной в несколько миллисекунд, и однозначного объяснения этому феномену нет.
«В некоторых наших моделях каждая частица легкой темной материи имеет невероятно малый шанс исчезнуть и распасться на два фотона. Когда такие частицы собираются в бозе-астероид и их количество измеряется числом с десятком нулей, может сыграть роль даже очень маленький шанс. Одна из частиц распадется на фотоны, которые повышают шанс на распад соседних. В результате может возникнуть цепная реакция, которая вызовет вспышку — как раз в том диапазоне, в котором фиксируют радиовсплески. Необходимо отметить, что эта гипотеза считается экзотической, и сами астрономы склоняются к тому, что эти вспышки порождаются особым типом нейтронных звезд — магнетарами», — пояснил Левков.
Работу российских физиков и их предсказания свойств темной материи тяжело проверить экспериментально. Тем не менее, если их моделирование окажется близко похожим на реальность, это станет одним из величайших прорывов в физике XXI века.