Ученые обнаружили края темной материи

Ученые из Пенсильванского университета в сотрудничестве с Университетом Чикаго и другиими университетами по всему миру провели исследование нескольких тысяч галактических кластеров и обнаружили на их краях границы — резкое сокращение количества темной материи.

Темная материя была впервые обнаружена в 1970-х гг., когда ученые заметили, что материя по краям спиральных галактик вращается так же быстро, как и материя в ее внутренней части. Однако согласно законам гравитации, объекты по краям должны двигаться быстрее, чем в центре. Ученые объяснили это явление особым гипотетическим типом материи — темной материей, которая напрямую не взаимодействует со светом, и поэтому ее невозможно непосредственно наблюдать, пишет EurekAlert.

Сейчас ученые считают, что более 80% материи во вселенной состоит из темной материи, которую невозможно непосредственно наблюдать и которая определяет в ней все, начиная тем, как перемещаются объекты внутри галактики, и заканчивая столкновениями галактических кластеров. При этом темная материя простирается далеко за пределы видимой части галактического диска, образуя так называемое гало.Исследователи из Университета Пенсильвании Бхувнеш Джайн и Эрик Бакстер решили выяснить, имеет ли гало темной материи какой-либо край, или границу.

«Обычно люди представляют себе переход от материи внутри галактики к материи между галактиками довольно плавным, — говорит Бхувнеш Джайн. — Однако теоретически, используя компьютерное моделирование, исследователи из Университета Чикаго несколько лет назад показали, что на полях галактических кластеров должна быть четкая граница, отчетливый переход, который мы сможем увидеть посредством тщательного анализа данных».

Используя данные Слоуновского цифрового небесного обзора, Джайн и Бакстер совместно с другими исследователями изучили тысячи галактических кластеров, чтобы выявить эту границу. В результате они действительно обнаружили резкое сокращение количества темной материи на полях кластеров. Полные результаты исследования опубликованы в научном журнале Astrophysical Journal.

Ученые надеются, что их открытие поможет в дальнейших исследованиях самой неизученной на данный момент материи, из которой состоит большая часть вселенной. Определение четкой границы гало темной материи может сделать возможным проверку эйнштейновской теории гравитации, а также изучение природы темной материи.

P.S. Как темная материя cформировала Вселенную

Многие увлечены идеей о существовании Мультивселенной — других вселенных за пределами нашей досягаемости. Но многие скрытые миры, которые у нас действительно есть возможность изучить и понять, представляются не менее увлекательными. Благодаря находящимся в нашем распоряжении современным идеям и технологиям мы приближаемся к тому, что темная материя станет последним рубежом или, по крайней мере, следующим захватывающим открытием.

Темная материя представляет собой неуловимую сущность во Вселенной, подобно обычной материи, взаимодействующую посредством гравитации, при этом не испуская и не поглощая свет. Астрономы детектируют ее гравитационное влияние, но непосредственно ее не видят и не чувствуют. Темная материя несет в себе в пять раз больше энергии, чем обычная, но ее взаимодействия с материей, поддающиеся нашему прямому наблюдению, крайне слабы. Возможно, миллиарды частиц темной материи каждую секунду проходят через каждого из нас. Тем не менее, никто не замечает их присутствия. Эффект, который оказывают на нас даже миллиарды частиц темной материи, ничтожен.

Это происходит оттого, что темная материя не состоит из тех же веществ, что обычная материя — атомов или других известных нам элементарных частиц, чье взаимодействие со светом отвечает за все, что мы видим. Темная материя на самом деле не темная — она прозрачная. Темные вещи поглощают свет. Прозрачная материя, включая и ту, которой выпало несчастье называться «темной», не входит с ним во взаимодействие. Невозможно собрать темную материю в подвале или гараже.

Тем не менее один сценарист недавно спросил меня о возможностях использования силы темной материи. Несмотря на восторг, который обычно вызывают у нас темные вещи — достаточно взглянуть на множество книг и фильмов, в названиях которых фигурирует это слово — темная материя не является ни зловещим, ни щедрым источником стратегической мощи. Собственными руками и инструментами, сделанными из обычной материи, мы не можем производить из темной материи ракетное оружие или ловушки. Ее обнаружение — уже нелегкая задача. Освоение ее потенциала — это совсем другая история.

Припишем стремление сценариста выдавать желаемое за действительное неудачно выбранному имени, которое, вероятно, заставляет темную материю казаться более угрожающей и мощной, чем она есть на самом деле. Но хотя люди и не могут овладеть силой темной материи, Вселенная может. Признаем мы ее участие или нет, но — подобно невидимым рабочим, которые строили пирамиды, или шоссе, или по деталям собирали электронные механизмы, сыгравшие определяющую роль в развитии цивилизации — темная материя имеет важное значение для развития нашего космоса. Если наше совместное исследование подтвердит выдвинутые гипотезы, вполне возможно, мы сможем доказать, что темная материя также косвенно проложила путь появлению крупных млекопитающих и, следовательно, человечества.

Палеонтологи, геологи и физики открыли, что 66 миллионов лет назад на Землю из космоса упал объект по крайней мере в десять километров шириной и уничтожил наземных динозавров, а заодно и три четверти других видов, существовавших на планете. Мы предполагаем, что во время прохождения Солнца через среднюю плоскость Млечного Пути — полосу звезд и яркой пыли, которую можно наблюдать в ясном ночном небе — Солнечная система встретилась с диском темной материи, которая спровоцировала смещение отдаленного объекта, тем самым форсируя этот катастрофический удар — а, возможно, и другие с интервалом в 30-35 миллионов лет. Наша гипотеза заключается в том, что менее традиционный тип темной материи коллапсировал, образовав густой диск (плотнее даже, чем диск Млечного Пути), и гравитационное влияние диска отклонило траекторию комет при прохождении Солнечной системы.

Предложенная нами концепция темной материи отличается от распространенных воззрений на ее природу. В то время как видимый мир обладает разнообразными типами частиц — кварками и электронами, фотонами и глюонами, например — и эти частицы взаимодействуют посредством различных сил (электромагнитных, сильных и слабых), физики обычно придерживаются мнения о том, что вся темная материя состоит из одного типа частиц, которые в основном взаимодействуют только через гравитацию. Почему бы не предположить, что также существуют различные типы темной материи и что по крайней мере один ее тип обладает собственными силами взаимодействия? Если допустить, что даже небольшая доля частиц темной материи взаимодействует с другими частицами темной материи посредством темной электромагнитной силы, то эти частицы темной материи должны вести себя аналогично частицам обычной материи, которые, как мы знаем, в галактике охлаждаются, замедляют свою скорость и формируют диск, похожий на видимый диск нашего Млечного Пути. Измеряя движение миллиарда звезд Млечного Пути, работающий в настоящее время спутник GAIA создает 3D-изображение формы нашей галактики, которая сегодня чувствительна к гравитационному влиянию диска темной материи.

Какими бы ни были результаты поисков этого дополнительного вида темной материи, мы знаем, что темная материя сыграла важную роль для видимой Вселенной. Несмотря на слабость своих взаимодействий, гравитационное притяжение темной материи сформировало галактики и скопления галактик, разбросанные по всему космосу. Без темной материи звезды не достигли бы своей настоящей численности и распределения. Нас бы здесь не было, чтобы все это обсуждать, не говоря уже о том, чтобы собрать целостную картину эволюции Вселенной, если бы не темная материя, предоставляющая достаточно времени, чтобы сформировать структуру, которую мы сейчас наблюдаем.

В одном из самых удивительных открытий ХХ века наблюдения реликтового излучения от Большого Взрыва показали, что, когда Вселенная была размером примерно с песчинку, в ее плотности присутствовали крошечные отклонения. Эти мельчайшие колебания — на уровне менее 0,001% — в конечном счете, стали источниками происхождение вас, меня, галактик и всей структуры во Вселенной. Темная материя сыграла определяющую роль в укреплении этих небольших отклонений в плотности и позволила этим космическим структурам сформироваться.

Материя, в отличие от излучения, на ранних этапах Вселенной могла замедляться и слипаться. Гравитационное притяжение в местах с большей плотностью приводило к тому, что некоторые участки материи коллапсировали, тем самым дополнительно увеличивая плотность вещества и приводя к образованию галактик. Так Вселенная становилась все более неоднородной, по мере того как богатые материей области обогащались еще больше, а бедные — становились беднее. Агрегация материи продолжалась, ввиду постоянного схлопывания материи в позитивном процессе обратной связи, который превращал изначально однородную Вселенную в то, что в конечном итоге разовьется в дифференцированные галактики, скопления и звезды, которые мы видим сегодня. Поскольку количество темной материи намного превышает количество обычной материи, этот коллапс произошел раньше, чем если бы во Вселенной существовала только обычная материя. Это важно, потому что она дала структуре, наблюдаемой нами сегодня, достаточно времени для роста.

Но темная материя сыграла важную роль и по другой причине. Даже если она и не является главным видом энергии во Вселенной, излучение вымывает изменения плотности обычной материи, подобно тому как ветер сглаживает песочную рябь, отпечатавшуюся на морском берегу. Излучение на ранней стадии эволюции Вселенной могло бы предотвратить образование объектов размером с галактики из исключительно обычной материи.

Темная материя могла неуклонно инициировать такие структуры, поскольку невосприимчива к электромагнитным излучениям. Следовательно, темная материя вполне эффективно дала обычной материи дополнительный старт, прокладывая путь для формирования галактик и звездных систем. Только путешествуя автостопом с темной материей, в нашей Вселенной могли сформироваться объекты галактического масштаба и зачатки звезд. Когда схлопывалась достаточно большая область, темная материя формировала гало приблизительно сферической формы, внутри которого газ обычной материи мог охлаждаться, конденсироваться в центр и в конечном итоге распадаться на звезды.

Это одновременное коллапсирование темной материи и обычной материи также помогает нашим поискам темной материи. Хотя мы видим звезды и галактики благодаря излучаемому свету, именно темная материя первоначально привлекла видимую материю, чтобы сформировать эти структуры. Так что, хотя мы непосредственно видим только обычную материю, мы можем быть уверены, что обе материи наличествуют в одних и тех же местах и что темная материя остается в этом сферическом гало вокруг видимого вещества. Так, в некотором смысле, искать под фонарным столбом темную материю вполне целесообразно.

Темная материя продолжает играть важную роль в космосе. Она не только способствует гравитационному притяжению, которое не дает звездам разлететься, но также возвращает некоторое количество материи, выбрасываемой сверхновыми, обратно в галактики. Темная материя, таким образом, помогает сохранить тяжелые элементы, которые необходимы для дальнейшего формирования звезд и в конечном счете жизни.

Не следует особенно беспокоиться о неизбежных негативных ассоциациях «темного» или о высших силах темной материи. Влияние частицы темной материи — или даже миллиардов этих частиц — можно легко игнорировать. Однако гравитационное влияние достаточно большого количества темной материи, скопившейся в концентрированной области, оказало существенное влияние на развитии Вселенной. Подобно другим незамечаемым нами сущностям в нашей среде, темная материя имеет важное значение для нашего мира и, в соответствии с нашими недавними исследованиями, возможно, была необходима для появления человеческой жизни.

Мои коллеги и я находимся лишь у истоков понимания того, чем же является темная материя. Темная материя не выделена в пространстве, так что корабль «Энтерпрайз» не сможет нас к ней перенести — правда, в отличие от этого космического корабля, темная материя реальна. Тем не менее, проводимые сегодня исследования обещают превзойти наши физические ограничения и лучше понять неуловимый, но потенциально доступный нам мир темной материи.

Лиза Рэндалл