Тёмная материя и тёмная энергия

Что такое тёмная материя и тёмная энергия? Это один из самых интересных и важных вопросов современной науки. В этой статье проведём краткий обзор того, что известно по этому вопросу.

Тёмная материя не испускает и не поглощает электромагнитного излучения. Поэтому её назвали тёмной. Первоначально её называли скрытой массой. Сейчас считается, что она составляет часть скрытой массы. Она наблюдается косвенно, и взаимодействует с обычной материей только через гравитационное притяжение.

При астрофизических наблюдениях мы видим звезды, туманности и галактический газ. Массу галактики можно определить двумя способами. Первый – зная из наблюдений количество звезд в галактике, можно приблизительно посчитать фактическую массу галактики. Второй – можно определить массу галактики по вращению звезд вокруг её центра. Второй способ по вращению даёт массу галактики больше, чем мы видим. То есть светящаяся материя составляет не всю материю в галактике. Из этого предположили, что существует скрытая масса или тёмная материя.

Большие скорости движения звёзд в галактиках или галактик в скоплениях галактик можно объяснить с помощью наличия тёмной материи. В частности, гало нашей Галактики Млечный Путь должно содержать большое количество тёмной материи. Она образует каркас Вселенной. Наличие тёмной материи повлияло на первичный нуклесинтез. Существуют и другие предпосылки существования тёмной материи.

Из общих космологических представлений о Вселенной следует, что видимая материя составляет всего 4.9 % от общей материи Вселенной, 26.8 % составляет тёмная материя, а еще 68.3 % – тёмная энергия. Это соотношение было определено по результатам работы европейского космического спутника Планк.

Часть скрытой массы составляет барионное вещество: невидимые газ, планетоподобные объекты, коричневые карлики (субзвёзды), проэволюционировавшие и остывающие звёзды (белые и чёрные карлики), нейтронные звёзды и чёрные дыры. Существуют электронное, мюонное и тау-нейтрино. Установлено, что они должны иметь массу. Но она до сих пор точно не определена. Масса мюонного и тау-нейтрино должна быть гораздо больше массы электронного нейтрино. В силу большого количества нейтрино, даже при маленькой массе отдельных частиц, они в сумме должны иметь солидную массу (по оценкам – в пределах 3%). Невидимая барионная материя вместе с нейтрино могут составлять только часть скрытой массы (по оценкам – порядка 4%).

Из чего же состоит собственно небарионная тёмная материя? Она не может состоять из обычных частиц Стандартной модели. Существует много кандидатов на роль этих частиц, но ни одни из них экспериментально не подтверждены. Рассмотрим их.
В астрофизике существует термин WIMP (weakly interactive massive particle) – слабовзаимодействующая массивная частица. Предположительно такие частицы составляют основу тёмной материи, и образуют гало нашей Галактики Млечный Путь. Масса WIMP должна быть как минимум в десятки раз больше массы протона.

WIMP’ы  крайне слабо взаимодействуют с обычными частицами, вещество для них прозрачно. Тем не менее, частицы тёмной материи могут изредка сталкиваться с атомными ядрами. Частицы тёмной материи могут аннигилировать между собой (так как у неё должны быть частицы и античастицы). Также они могут распадаться, если являются неустойчивыми частицами. В результате этих процессов WIMP’ы могут образовывать другие частицы, в том числе нейтрино, которые можно попытаться зарегистрировать. Поиск в этом направлении ведётся с помощью целого ряда высокочувствительных детекторов, помещенных глубоко под землей, где резко снижен фон от космических лучей. Их можно попытаться зарегистрировать на ускорителях элементарных частиц при столкновениях, что также пытаются сделать.

Некоторые учёные предполагают существование нового взаимодействия – аналога электромагнетизма для частиц тёмной материи. Для описания этого взаимодействия необходимо существование соответствующего нового заряда.  Если этот заряд существует также у обычной материи, то частицы обычной и тёмной материи могут взаимодействовать.  Тогда могут существовать переносчики этого взаимодействия – «тёмные фотоны».

В попытках создать единую теорию поля, объединяющую все известные взаимодействия, за последние несколько десятилетий было разработано множество теорий. Разрабатываются теории суперструн (М теория), модели преонов, теории квантовой петлевой гравитации и множество других. В этих теориях в частных случаях должны получаться характеристики и свойства частиц Стандартной модели, которая имеет прекрасное согласие с экспериментом. Поиск теории суперобъединения представляет самостоятельный интерес. Новая теория также может предсказать новые частицы, которые составляют тёмную материю.

По этой тематике уже опубликованы тысячи статей в научных журналах, и их количество продолжает расти. Открытие бозона Хиггса отбросило много разных теорий, в том числе ряд преонных моделей, в которых его не было, либо его не удавалось получить.

Различные теоретические модели дают широкий выбор кандидатов на роль небарионной тёмной материи. Перечислим названия суперсимметричных частиц из теории суперструн. Стандартная модель элементарных частиц удваивается своими суперсимметричными партнёрами. Вот их названия: скварки, снейтрино, фотино, глюино, хиггсино, гравитино, вино, зино и их античастицы. Иногда отдельно выделяют нейтралино – это линейная комбинация нескольких нейтральных суперсимметричных частиц.

В других теориях вводят свои частицы: новые поколения нейтрино с большой массой, стерильное нейтрино и другие частицы. Вот названия некоторых таких частиц – кандидатов на тёмную материю: магнитные монополи, парафотон, аксион, зеркальные частицы, максимон, кварковые "самородки", фридмон, гравифотон, техникварки. Поясним некоторые из этих частиц. Максимон – частица с максимально возможной массой, элементарная чёрная дыра, другое название – планкеон. Кварковые "самородки" – макроскопические объекты из кварковой материи с массой сравнимой с массой нейтронной звезды. Учёные постоянно придумывают новые теории, и продолжают придумывать новые частицы. Так что со временем список новых частиц – кандидатов будет расти.

Кандидатами на барионную тёмную материю могут быть также гипотетические кварковые звёзды (из кварковой материи), странные звёзды (из s-кварков) или преонные звёзды (из гипотетических составляющих кварков и лептонов); космические струны (топологические дефекты пространства-времени), доменные стенки (гипотетические стенки между метагалактиками – разными вселенными).

Из написанного выше текста видно, что существуют большой зоопарк гипотетических частиц и объектов, а также большая неопределённость в объяснении тёмной материи. В будущем, возможно, её сущность будет раскрыта.

Теперь рассмотрим, что известно про тёмную энергию. В этой сущности ещё меньше ясности. По современным представлениям тёмная энергия отвечает за ускоренное расширение Вселенной (можно сказать, за антигравитацию). Она вносит наибольший вклад в скрытую плотность Вселенной. В отличие от обычного вещества и тёмной материи она равномерно распределена по всей Вселенной.

Главный кандидат на роль тёмной энергии – физический вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, что и соответствует отрицательному давлению.

Ещё один кандидат на эту сущность – гипотетическое сверхслабое поле, получившее название «квинтэссенция». Это поле, плотность которого может меняться в пространстве и времени. Это своего рода частицеподобные возбуждения некоего динамического скалярного поля. Никаких свидетельств существования квинтэссенции пока не обнаружено, но исключить её существование нельзя.

Для объяснения тёмной энергии  придумывали также новые частицы. Например, была введена частица акселерон, ответственная за ускоренное расширение Вселенной. Также предположили существование частицы, у которой эффективная масса зависит от окружения. Такая частица может иметь малую массу в открытом космосе, и большую массу в экспериментах на Земле. Её назвали – хамелеон. Она может быть носителем либо тёмной материи, либо тёмной энергии.

Тёмная энергия не взаимодействует с обычной материей с помощью известных видов взаимодействия, а только с помощью гравитации. Она заметно действует на Вселенную только потому, что наполняет пустое по отношению к видимой и невидимой материи пространство.

По сути, тёмная энергия есть космологическая постоянная (лямбда-член в ОТО). Её впервые ввёл Эйнштейн, когда пытался ввести антигравитацию на космологических масштабах, чтобы описать стационарную Вселенную. Но так как было точно установлено, что Вселенная расширяется, Эйнштейн отказался от этой идеи, считая её своей большой ошибкой. Космологическая постоянная описывает энергетическую плотность, равномерно заполняющую пространство Вселенной, т. е. с ней связывается ненулевая энергия и давление вакуума. Значение космологической константы оценивается как 10^(;29) г/см;. Она имеет отрицательное давление, которое должно порождать отталкивание материи, т. е. антигравитацию. Поэтому она вызывает ускорение расширения Вселенной.

Возможно, что на расстояниях порядка видимой части Вселенной нужно модифицировать теорию гравитации Ньютона – Эйнштейна. Поэтому создаются альтернативные неньютоновы теории гравитации, например, теория с зависящей от времени гравитационной постоянной. В новой теории может отсутствовать необходимость введения тёмных материи и энергии. Но пока разные модификации теории гравитации не дают удовлетворительного описания всех известных явлений. Поэтому альтернативы существующей теории гравитации нет, а тёмные материя и энергия должны существовать.

Получается, что наша Вселенная на 95,1 % состоит из того, чего мы не знаем. В будущем предстоит это узнать. Не исключено, что будет выявлено что-то принципиально новое, что сильно поменяет наши представления о природе материи. Новые открытия могут дать возможность практических применений, которые сейчас описываются в фантастических произведениях. Фантастика может стать реальностью.