Все, что мы когда-либо наблюдали во Вселенной, от материи до излучения, можно разложить на малейшие составляющие. Все в этом мире состоит из атомов, которые состоят из нуклонов и электронов, а нуклоны делятся на кварки и глюоны. Свет тоже состоит из частиц: фотонов. Даже гравитационные волны, в теории, состоят из гравитонов: частиц, которые мы однажды, если повезет, найдем и зафиксируем. Но что с темной материей? Косвенные доказательства ее существования невозможно отрицать. Но должна ли она также состоять из частиц?
Мы привыкли считать, что темная материя состоит из частиц, и безнадежно пытаемся их обнаружить. Но что, если мы ищем не то и не там?
Если темную энергию можно интерпретировать как энергию, присущую самой ткани пространства, может ли быть так, что “темная материя» также является внутренней функцией самого пространства – тесно или отдаленно связанной с темной энергией? И что вместо темной материи гравитационные эффекты, которые могли бы объяснить наши наблюдения, будут больше обусловлены «темной массой»? Физик Итан Зигель разложил по полочкам наши теоретические подходы и возможные варианты развития событий.
Одна из самых интересных особенностей Вселенной заключается в соотношении один к одному между тем, что есть во Вселенной, и тем, как меняется скорость расширения с течением времени. Благодаря множеству тщательных измерений многих разрозненных источников – звезд, галактик, сверхновых, космического микроволнового фона и крупномасштабных структур Вселенной – мы смогли измерить и то и другое, определив, из чего состоит Вселенная. В принципе, есть много разных представлений о том, из чего может состоять наша Вселенная, и все они по-разному влияют на космическое расширение.
Благодаря полученным данным, теперь мы знаем, что Вселенная сделана из следующего:
- 68% темной энергии, которая остается при постоянной плотности энергии даже при расширении пространства;
- 27% темной материи, которая проявляет гравитационную силу, размывается по мере увеличения объема и не дает измерить себя при помощи любой другой известной силы;
- 4,9% обычной материи, которая проявляет все силы, размывается по мере увеличения объема, сбивается в комки и состоит из частиц;
- 0,1% нейтрино, которые проявляют гравитационное и электрослабое взаимодействия, состоят из частиц и сбиваются вместе, только когда замедляются достаточно, чтобы вести себя подобно материи, а не излучению;
- 0,01% фотонов, которые проявляют гравитационные и электромагнитные воздействия, ведут себя как излучение и размываются как по мере увеличения объема, так и при растяжении длин волн.
Со временем эти различные компоненты становятся относительно более или менее важными, а это процентное соотношение представляет, из чего сегодня состоит Вселенная.
Темная энергия, как следует из лучших наших измерений, обладает одинаковыми свойствами в любой точке пространства, во всех направлениях космоса и во все эпизоды нашей космической истории. Другими словами, темная энергия одновременно гомогенна и изотропна: она везде и всегда одинакова. Насколько мы можем судить, темной энергии не нужны частицы; она запросто может быть свойством, присущим ткани пространства.
Но темная материя принципиально другая.
Чтобы сформировалась структура, которую мы видим во Вселенной, особенно в больших космических масштабах, темная материя должна не только существовать, но и собираться вместе. У нее не может быть одинаковой плотности повсюду в пространстве; скорее, она должна концентрироваться в регионах повышенной плотности и должна иметь меньшую плотность, либо вообще отсутствовать, в регионах пониженной плотности. Мы можем фактически сказать, сколько всего вещества находится в различных областях пространства, руководствуясь наблюдениями. Вот три наиболее важных из них:
Спектр мощности материи. Нанесите на карту материю во Вселенной, посмотрите, на каких масштабах она соответствует галактикам, – то есть с какой вероятностью вы найдете другую галактику на определенном расстоянии от той галактики, с которой вы начинаете, – и изучите результат. Если бы Вселенная состояла из однородного вещества, структура была бы смазанной. Если бы во Вселенной была темная материя, которая не собралась достаточно рано, структура в небольших масштабах была бы разрушена. Спектр мощности энергии говорит нам, что приблизительно 85% материи во Вселенной представлено темной материей, которая серьезно отличается от протонов, нейтронов и электронов, и эта темная материя родилась холодной, либо же ее кинетическая энергия сопоставима с массой покоя.
Гравитационное линзирование. Взгляните на массивный объект. Допустим, квазар, галактику или скоплений галактик. Посмотрите, как фоновый свет искажается присутствием объекта. Поскольку мы понимаем законы тяготения, которЫЕ регулируются общей теорией относительности Эйнштейна, то, как искривляется свет, позволяет нам определить, сколько массы присутствует в каждом объекте. Посредством других методов мы можем определить количество массы, которое присутствует в обычном веществе: звезды, газ, пыль, черные дыры, плазма и пр. И снова мы находим, что 85% материи представлено темной материей. Более того, она распределена более диффузно, облачно, чем обычная материя. Это подтверждается слабым и сильным линзированием.
Космический микроволновый фон. Если вы посмотрите на оставшееся свечение излучения Большого Взрыва, вы обнаружите, что оно примерно равномерное: 2,725 Kво всех направлениях. Но если взглянуть пристальнее, можно обнаружить, что в масштабах от десятков до сотен микрокельвинов наблюдаются крошечные дефекты. Они рассказывают нам несколько важных вещей, включая энергетические плотности обычной материи, темной материи и темной энергии, но самое главное – они говорят нам, насколько однородной была Вселенная, когда ей было всего 0,003% от ее нынешнего возраста. Ответ таков, что самый плотный регион был всего на 0,01% плотнее наименее плотного региона. Другими словами, темная материя начала с однородного состояния и по мере течения времени сбилась в комки.
Объединяя все это, мы приходим к выводу, что темная материя должна вести себя как жидкость, наполняющая Вселенную. Эта жидкость обладает пренебрежимо малым давлением и вязкостью, реагирует на давление излучения, не сталкивается с фотонами или обычным веществом, была рождена холодной и нерелятивистской и сбивается в кучу под действием собственной гравитации с течением времени. Она определяет формирование структур во Вселенной на самых больших масштабах. Она высоко неоднородна, и величина ее неоднородности растет со временем.
Вот что мы можем сказать о ней в больших масштабах, поскольку они связаны с наблюдениями. На малых масштабах мы можем лишь предполагать, не будучи уверенными сполна, что темная материя состоит из частиц со свойствами, которые заставляют ее вести себя таким образом на больших масштабах. Причина, по которой мы это предполагаем, состоит в том, что Вселенная, насколько нам известно, состоит из частиц в основе своей, да и все. Если ты вещество, если у тебя есть масса, квантовый аналог, то ты неизбежно должен состоять из частиц на определенном уровне. Но пока мы не нашли эту частицу, мы не имеем права исключать другие возможности: например, что это некое жидкое поле, которое состоит не из частиц, но влияет на пространство-время так, как должны были бы частицы.
Вот почему так важно предпринимать попытки прямого обнаружения темной материи. Подтвердить или опровергнуть фундаментальную составляющую темной материи в теории невозможно, только на практике, подкрепив наблюдениями. По всей видимости, темная материя никак не связана с темной энергией.
Состоит ли она из частиц? Пока мы не найдем их, мы можем только догадываться. Вселенная проявляет себя как квантовая по своей природе, когда речь заходит о любой другой форме материи, поэтому разумно предположить, что темная материя будет такой же.