Довгоочікувана матерія. Фізики дізналися, що може відповідати за приховану масу Всесвіту

Вчені визначили, де потрібно шукати частки, які можуть бути темною матерією.

Коротко:

— що таке темна матерія і де її шукати

— які частинки потенційно можуть бути темною матерією

— чому деякі вчені не вірять у темну матерію

днією з головних загадок для сучасних фізиків є темна матерія. Саме ця гіпотетична речовина може допомогти вченим визначити досі невідомі характеристики Всесвіту. Схоже, що група вчених з Німеччини та США значно наблизилася до її відкриття.

У межах Сонячної системи і наших сусідніх зірок наука відчуває себе більш-менш комфортно. У таких масштабах ми можемо з легкістю розраховувати відстані до інших планет, швидкість обігу різних об'єктів, температуру і навіть відносно детально вивчати їх хімічний склад.

Але ось що стосується зовнішніх областей осяжного нам Всесвіту — там твориться якась чортівня. Відповідно до загальної теорії відносності Ейнштейна, чим далі легкий об'єкт розташований від важкого — тим менше гравітаційної сили на нього діє і, відповідно, тим меншою буде швидкість його обертання.

Це правило відмінно працює в межах Сонячної системи: найближча планета до Сонця — Меркурій — обертається навколо нього всього за 88 земних діб, а найдальша — Нептун — майже за 165 років.

Однак, із віддаленими від нас об'єктами, наприклад, скупченнями галактик, все зовсім по-іншому: астрономи виявили, що швидкість обертання зовнішніх об'єктів постійно збільшується, незважаючи на те, що відстань між ними зростає, адже Всесвіт, як відомо, розширюється.

Кілька десятків років тому фізики списали цей прорахунок на темну матерію — гіпотетичну речовину, яка нібито формує близько чверті прихованої маси Всесвіту і відповідає за високу швидкість обертання віддалених об'єктів. Дотепер ми лише здогадуємося, що може бути цією темною матерією, оскільки така речовина не бере участі в електромагнітній взаємодії і є практично невидимою для нас.

Нещодавно група вчених з німецького Інституту хімічної фізики твердих тіл суспільства Макса Планка та кількох університетів США і Китаю опублікувала дослідження, яке може значно наблизити нас до розгадки таємниці темної матерії.

Фото: iStock

Що дізналися вчені?


Фізики відразу зрозуміли, що шукати темну матерію у Всесвіті, намагаючись засікти її гравітаційний вплив на інші об'єкти за допомогою телескопів — безглуздо. Натомість вчені звернулися до фізичних експериментів з високими енергіями і конденсованим станом, під час яких деякі матеріали можуть проявляти незвичайні властивості, схожі на властивості темної матерії.

Як конденсовану матерію, вчені використали так званий напівметал — хімічний елемент, який перебуває на межі металевої і неметалічної групи.

Ідеальною піддослідною речовиною виявився вейлівський напівметал, який складається з танталу, селену та йоду. Річ у тому, що електрони в цьому напівметалі поводяться так, ніби у них немає маси: вони не взаємодіють один з одним і розділені на два типи, — ліві і праві. Ця хімічна властивість називається хіральність, і вона дає можливість молекулам вейлівського напівметалу не збігатися в просторі зі своїм дзеркальним відображенням.

Простіше кажучи, в таких молекулах є два типи електронів — ліві і праві (як наші руки), і кількість лівих електронів завжди відповідає кількості правих електронів.

Охолоджуючи молекули вейлівського напівметалу до мінус 11 градусів Цельсія, вчені змусили незвичайні електрони взаємодіяти і конденсуватися в кристалічні версії самих себе. Виявилося, що частинки саме цих кристалів проявляли ті ж властивості, які має проявляти гіпотетична темна матерія — аксіон.

Фото: Image courtesy of the researchers

Існування аксіону припустили приблизно 40 років тому, і, як справжня темна матерія, аксіон не взаємодіє зі звичайною, видимою нам матерією. Вчені вважали, що перебування аксіонів має вирішити проблему симетрії зарядового сполучення або сильну CP-проблему, — квантову властивість, згідно з якою закони фізики діють однаково на конкретні частки та їхні античастинки, навіть якщо вони рознесені в просторі.

Популярні фізичні теорії не передбачають існування такої симетрії, і довести її може тільки відкриття нового поля. Якраз аксіон може забезпечити існування цього поля.

Після отримання кристалів хіральних електронів вейлівського напівметалу фізики помітили, що вони складаються з квазічастинок — фононів, які одночасно являють собою хвилі вібрацій. З огляду на те, що в світі квантової механіки хвилі також є частинками, вчені визначили, що існують певні фонони, які мають ті ж властивості, що і звичні нам електрони і фотони.

Внаслідок експерименту вчені виявили такі фонони, які реагують на електричні та магнітні поля так само, як і передбачувані аксіони. Це означає, що автори дослідження не тільки виявили, де можна шукати аксвони, але й, можливо, відкрили довгоочікувану темну матерію, яка взаємодіє з видимою нам речовиною.

Так, фонон лише взаємодіє з аксіоном, і вчені продовжать пошуки темної матерії у вигляді конкретних незалежних часток. Проте, нове дослідження в прямому і переносному сенсі кидає світло на те, як можна виявити частинки без певних властивостей на кшталт маси і розширює можливості пошуку цих частинок для інших вчених.

За словами лауреата Нобелівської премії Франка Вільчека, який припустив існування аксіонів у 1977-му, експеримент фізиків з Німеччини, США та Китаю підтвердив, що математичні моделі, які описують аксіон, можуть реалізуватися в природі.

Не виключено, що в найближчому майбутньому вчені виявлять фундаментальні аксіони, які і є темною матерією, формуючи приховану масу Всесвіту.

Фото: livescience.com

Не аксіонами єдиними: претенденти на темну матерію


Квазічастинки на кшталт фононів не є єдиними в своєму роді, і вчені постійно експериментують з конденсуванням подібних речовин, пропонуючи все нові й нові способи пошуку темної матерії.

Наприклад, кілька місяців тому фізики з університету Ілінойса і Гамбурзького університетів отримали зображення ферміонів Майорани — квазічастинок, які також одночасно є своїми античастинками.

Вчені виявили майоранівські ферміони за допомогою надпровідника з ренію, — цей матеріал не має електричного опору за температур близько шести градусів за Кельвіном (-267 °C). До охолодженого надпровідника додали наночастинки з атомів магнітного заліза, що й дозволило засікти квазічастинки, які італійський фізик Етторе Майорана описав майже сто років тому,

Якщо вчені зможуть підтримувати стан ферміонів Майорани у вигляді частинок і античастинок, — таку речовину можна буде використовувати для зберігання інформації в квантових комп’ютерах. Комп’ютерні мікросхеми з кремнію ми вже бачили, а як вам процесор з потенційної темної матерії?

Прозаїчнішу відповідь на питання про темну матерію на початку 2019-го запропонували вчені з Ліверморської національної лабораторії ім. Лоуренса в Каліфорнії і Університету Йоганнеса Гутенберга в Німеччині.

Фізики вирішили масштабувати електромагнітну напругу Максвелла-Прока, яка описує негативний тиск фотонів у певних умовах, на гравітаційну космічну модель. Виявилося, що описані електромагнітні напруги можуть створювати додаткову доцентрову силу, і діяти як ще одна гравітація.

Як не дивно, запропонована модель підходила для опису прихованої маси міжзоряних газів і короткочасних зірок, які створені з газу і після смерті перетворюються на газ. Незвичайний негативний тиск фотона може чинити прямий вплив на такі об'єкти і відповідати за їхній незрозумілий рух.

Фото: NASA

Протиріччя в цій теорії виникають тільки тоді, коли йдеться про «старі» зірки на кшталт нашого Сонця. Згідно з розробленою фотонною моделлю темної матерії, за 4,6 млрд років свого існування Сонце мало носити еліптичну орбіту, хоча, як відомо, наша зірка проходить навколо центру Чумацького шляху по круговій орбіті.

«З огляду на певну масу фотона, набагато меншу, ніж поточна верхня межа, ми можемо показати, що цієї маси буде досить для створення додаткових сил у галактиці, які можуть пояснити криві обертання», — писали автори дослідження.

Інші фізики з Каліфорнійського університету припустили, що допомогти відшукати темну матерію може магнітний монополь — квантова частинка, яка має тільки один магнітний заряд. Вчені вважають, що гіпотетичний темний магнітний монополь буде взаємодіяти з темними фотонами й електронами точно так само, як взаємодіють звичайні фотони і електрони зі звичайним монополем у квантовій теорії.

Згідно з ефектом Ааронова — Бома, електрон, що знаходиться біля магнітного поля, зазнає впливу цього поля, навіть не проходячи через нього. У випадку з магнітним монополем, електрон може проходити по обидва боки від нього і, відповідно, виявляти властивості частинки й античастинки одночасно.

Нині для підтвердження цієї теорії немає необхідного обладнання, оскільки теоретична зміна фази електрона через ймовірний магнітний монополь буде майже непомітним.

Фото: NASA/CXC/M. Weiss

Противники темної матерії


Очевидно, що сама по собі темна матерія також є лише однією з теорій, і є ті, кому ця теорія не подобається.

Зокрема, представники університету Південної Данії опублікували дослідження, за яким додаткову вагу космічних об'єктів формує зовсім не темна матерія, а інші закони гравітації, які діють у глобальних масштабах.

Їхня теорія передбачає, що навколо кожного щільного космічного об'єкта, на кшталт нашого Сонця, існує невидима сфера, після якої гравітаційний вплив значно посилюється, і легкі об'єкти взаємодіють з важкими сильніше, незважаючи на те, що їх маса залишається незмінною.

Парадоксально, але в рамках такої моделі всередині цієї сфери ейнштейнівська теорія відносності працює, і гравітаційна взаємодія послаблюється зі зростанням відстані між об'єктами.

За підрахунками фізиків, розмір імовірної гравітаційної сфери пропорційний масі центрального об'єкта. Тобто, якщо в галактиці ця сфера матиме радіус в кілька тисяч світлових років (відстань, на якій помітно дію темної матерії), — відповідна сфера навколо нашого Сонця матиме радіус 50 тис. астрономічних одиниць.

Оскільки для діючих космічних апаратів це практично нереальні відстані, ми поки не можемо протестувати, чи змінюється гравітаційний вплив Сонця, якщо ми опиняємося за межами описаної данськими вченими сфери.

Фото: nanonewsnet.ru

Ще раніше британський астрофізик Джеймі Фарнс висунув гіпотезу про існування субстанції з негативною масою, яка виконує функції не тільки темної матерії, але й темної енергії, які разом, знову-таки ймовірно, займають 95% Всесвіту.

На відміну від темної матерії, яка відповідає за приховану масу космічних об'єктів, темна енергія може пояснити швидке розширення Всесвіту, — ймовірно, саме вона буквально відштовхує галактики між собою.

Фарнс вважає, що всього цього не існує, а темна матерія і енергія об'єднані в якусь «темну рідину» з негативною масою. Ця речовина нібито постійно виробляється природним чином з часів Великого вибуху. Запропонована темна рідина має з’являтися навіть у порожньому просторі і впливати на всю навколишню матерію.

Саме тому, як вважає Джеймі Фарнс, галактики відштовхуються одна від одної і створюють додатковий простір для появи ще більшої кількості темної рідини. Водночас фізик не пояснює, чому зірки не віддаляються одна від одної в міру свого обертання, і, найголовніше, чому раптом у порожньому просторі мають з’явитися частки з негативною масою.

Мабуть, темна матерія, ким би або чим би вона не була, поки що планує залишатися в тіні.

Теги: Фізика Космос Темна матерія

Новини по темі

Краса вимагає жертв. Чи ні? Огляд смартфона OPPO Reno2 Z

OPPO прилагает много усилий для завоевания украинского рынка. Посмотрим, как в этом поможет «середнячок» OPPO Reno2 Z.

1 1

Що подарувати на Тетянин день: ТОП-5 кращих ідей для подарунка.

Що можна, а що не можна дарувати на Тетянин день

2

Астронавти вперше спекли печиво в космосі, його перевіряють на шкідливість.

Астронавти Христина Кох і Лука Пармітано вперше приготували печиво у космосі, щоб випробувати піч на Міжнародній космічній станції, розраховану для роботи в мікрогравітації.

1

Інтелігентний дроворуб. Тест-драйв Mitsubishi L200

Пробуємо оновлений пікап Mitsubishi L200 в топової комплектації

2

Не факт, що їстівне. У космосі вперше спекли печиво

NASA повідомило, що астронавтам Христина Кох і Лука Пармітано вперше вдалося спекти в космосі печиво.

1 1

Продовжуючи переглядати Новини України (UAZMI), ви підтверджуєте, що ознайомилися з Правилами користування сайтом, і погоджуєтеся на використання файлів cookie