Как ученые ищут темную материю

Темная материя — одна из самых интригующих загадок современной науки. Ученые уверены, что из нее состоит большая часть вещества во Вселенной. Но за все время исследований ее ни разу не удавалось наблюдать. Дело в том, что темная материя не взаимодействует ни со светом, ни с любым другим видом электромагнитного излучения. А так как основной инструмент наблюдения астрофизиков — это именно свет, темную материю невозможно увидеть. Но это не значит, что о ней ничего нельзя узнать. 

Как открыли темную материю

Главное доказательство существования темной материи — это гравитация. Почти сто лет назад швейцарский астроном Фриц Цвикки (1898-1974) изучал скопление галактик в созвездии Волосы Вероники. Галактики внутри него неслись с такой скоростью, что за миллионы лет должны были разлететься в разные стороны, но какая-то сила удерживала их на своих местах. 

Гравитационное притяжение становится сильнее с увеличением массы объекта. Поэтому Цвикки предположил, что созвездия сцеплены вместе дополнительной материей, которая имеет огромную массу и которую невозможно увидеть в объектив телескопа. Именно она и стала позднее известна как темная материя.

Примерно через 40 лет после Цвикки американский астроном Вера Рубин (1928-2016) изучала движение звезд, вращающихся вокруг центра спиральных галактик. Она заметила, что проходя по краям спиралей, такие звезды ускоряются. Скорость их вращения была так велика, что они улетели бы в межгалактическое пространство, если бы их удерживала только гравитация других звезд или газового гало. Стало очевидно, что в галактиках значительно больше материи, чем можно наблюдать. 

Как сегодня изучают темную материю

Раньше астрономы изучали космос с помощью оптических телескопов, которые фиксируют видимый свет и позволяют следить за движением и вращением галактик. На снимках оптических телескопов галактики могут увеличиваться под действием гравитации массивного объекта, который искривляет проходящий через него свет. Это явление получило название гравитационного линзирования. 

В последние десятилетия оптические телескопы объединяют с рентгеновскими, которые дают возможность наблюдать горячий газ, окружающий галактики. Этот газ имеет огромную температуру и светится в рентгеновском спектре. Объединив оптические и рентгеновские телескопы, астрономы получают возможность исследовать галактики и межзвездные газы, то есть всю наблюдаемую материю. Если гравитационное линзирование слишком сильное, чтобы быть вызвано газом, значит его причина — темная материя. 

Можно ли наблюдать темную материю?

Все это доказывает, что темная материя должна существовать, но не позволяет нам узнать, что это такое или из чего она состоит. Темная материя по прежнему неуловима: ни один измерительный прибор не может взаимодействовать с ней напрямую. Но астрофизики все-таки надеются ее увидеть. 

Темная материя участвует в слабом взаимодействии, процессе, который превращает одни субатомные частицы в другие, а также передает энергию и импульс на сверхмалые расстояния. Это означает, что благодаря слабому взаимодействию темная материя может преобразовывать энергию в сигналы, видимые для ученых. Такие сигналы пытаются обнаружить с помощью специальных научно-исследовательских установок, расположенных глубоко под землей, либо используя гамма-телескопы. 

Сигнал, полученный от темной материи, должен быть результатом слабого взаимодействия, который нельзя объяснить никак иначе. Хотя сам этот сигнал будет едва заметен, он станет важнейшей вехой в астрофизике. Возможно, подземные эксперименты на ускорителях частиц и наблюдения с помощью различных телескопов сделают темную материю более доступной для непосредственного наблюдения. 

По материалам: theconversation.com.