Темная материя, судя по данным астрономических наблюдений, присутствует в каждой галактике — найденная в 2018 году «галактика без темной материи» позже была названа ошибкой интерпретации. Невидимого и неуловимого для всех современных детекторов «чего-то» во Вселенной гораздо больше, чем звезд, планет, облаков газа и прочей известной материи. «Чердак» собрал основные версии физиков по поводу этой загадочной субстанции, чтобы вам было проще ориентироваться в сортах гипотез, которые регулярно упоминают физики. Мы дополним эту заметку, если какая-то еще гипотеза начнет набирать популярность.

Придумывать кандидатов в темную материю можно, кажется, бесконечно. В самом деле, а что если это, скажем, некие частицы с массой в… ну, положим, десять масс протона? И с сечением взаимодействия на десять порядков меньше, чем у нейтрино? Или вовсе — сто миллионов масс протона с сечением на двадцать восемь порядков меньше нейтрино?

Сколько нулей, столько и порядков. «На один порядок» означает «в десять раз». «На два порядка» переводится как в «сто раз», а «на шесть порядков» следует читать как «в миллион». Еще есть оборот «по порядку величины», то есть «с точностью до числа нулей», — так говорят про очень приближенные оценки.

Однако реальная работа физиков отличается от свободного полета фантазии. Гипотетические частицы должны быть как-то вписаны в реальный мир. Гипотеза должна не просто постулировать наличие некой трудноуловимой частицы, но и согласовываться со всеми имеющимися данными. Это и астрономические наблюдения, и результаты экспериментов на коллайдерах, и многое иное. Так что места для фантазий остается не так уж много.

Множество кривых соответствует ограничениям из разных опытов, причем пунктиром показаны ожидаемые данные. WIMP не могут быть выше сплошных кривых, ниже жирной оранжевой линии, и они не могут попасть в закрашенные участки

Хорошим примером согласованности гипотезы о природе темной материи со всей остальной физикой служит гипотеза, согласно которой эта загадочная сущность состоит из суперсимметричных партнеров известных частиц. Согласно ей, каждая известная нам частица должна иметь своего «суперсимметричного» партнера, так что частиц в двух фундаментальных классах, бозонах и фермионах, должно оказаться поровну.

Бозоны — это частицы, спин которых измеряется в целых числах. Фермионы имеют полуцелый спин.
В физике элементарных частиц из бозонов сделаны поля. Бозоны — это свет, ядерные силы и, вероятно, гравитация, а вся материя собрана из «кирпичиков»-фермионов.

Почему поровну?
Во-первых, это красиво: теория получается элегантной, простой и потому проходит под лезвием бритвы Оккама, что режет лишние сущности.
Во-вторых, симметрия в теоретической физике вообще играет важную роль: из симметрии пространства-времени следуют, например, все законы сохранения. Энергия не просто сохраняется, а сохраняется вследствии того, что все моменты времени одинаковы между собой. Вывести из подобных фундаментальных соображений о природе пространства свойства и всех элементарных частиц, включая частицу темной материи, многим кажется чрезвычайно привлекательным.
Но, конечно, Вселенная вообще не обязана быть простой и элегантной. Поэтому суперсимметрия — это интересная, но не единственная модель из числа кандидатов в новую физику.

Это не темная материя

Впервые столкнувшиеся с загадкой темной материи, «неспециалисты» обычно сразу предлагают несколько «очевидных вариантов». Например, что невидимое вещество может быть межзвездной пылью, одинокими планетами или нейтрино. Но все эти простые версии были отвергнуты физиками уже давно.
Межзвездная пыль в мало-мальски значительных количествах (а темной материи должно быть в десятки раз больше обычной) частично блокирует свет, и ее бы давно обнаружили при помощи телескопов.
Одинокие планеты, будь их настолько много, периодически залетали бы в существующие планетные системы и меняли бы конфигурацию орбит. Или вовсе оказались бы захвачены гравитацией звезды. В Солнечной системе, по ряду данных, может скрываться еще один газовый гигант, но никак не два десятка потерянных Юпитеров.
Нейтрино практически не взаимодействуют с веществом, однако их все-таки можно поймать специальными детекторами. Наша техника дошла уже до того, что физики по нейтрино уверенно регистрируют запуск ядерных реакторов и получают нейтринные изображения Солнца, так что фантастическое количество этих частиц было бы совершенно точно обнаружено экспериментальным путем лет этак пятьдесят назад.
Можно абсолютно уверенно сказать, что темная материя просто не может быть известными нам элементарными частицами. Это определенно нечто другое, что-то, за чем стоит совершенно иная физика, и именно поэтому темную материю мечтают найти все физики мира. Даже если они не занимаются ее поисками лично.

Классика: WIMP

[Что это такое] WIMP — это слабо взаимодействующие массивные частицы, weakly interacting massive particles. Согласно этой гипотезе, частицы темной материи могут как-то реагировать с нашим веществом исключительно при помощи слабого поля (как нейтрино) и не вступать в иные фундаментальные взаимодействия, за исключением гравитации. Мы их не видим, не ощущаем, но их масса проявляет себя, потому что гравитация есть у всего, что обладает массой. И потому темная материя влияет на скорость движения звезд в дисках галактик.

[Почему мы их не видим] Слабое взаимодействие работает только на очень малых расстояниях, поэтому и нейтрино (реальные), и WIMP (гипотетические) свободно пролетают через Землю насквозь. Чтобы провзаимодействовать с нашей материей, слабо взаимодействующим частицам нужно пролететь вплотную к одному из трех кварков внутри нейтрона или протона. И это столь же маловероятно, как наугад бросить иголку с самолета где-то над крупным городом и точно попасть в лежащую на конкретном столе горошину. Причем пример с горошиной еще оптимистичен: он иллюстрирует давно пойманные нейтрино, а для WIMP размер цели может быть еще меньше. Физики используют такую величину, как сечение взаимодействия: чем оно меньше, тем сложнее зафиксировать частицу. Бозон Хиггса с его малым () сечением, например, обнаружили после многих месяцев непрерывной работы Большого адронного коллайдера. А у вимпов сечение взаимодействия должно быть еще меньше: по всей видимости, это что-то от 10-38 см2.

[Как ищем] Для поиска вимпов, равно как и для изучения нейтрино, часто приходится спускать детекторы глубоко под землю, где их работе не мешают частицы космических лучей, так что ловцы слабовзаимодействующих частиц облюбовали всевозможные горные выработки. В России это специально обустроенная Басканская нейтринная обсерватория (про нее «Чердак» даже снял фильм), в США исследователи выбрали старый железный рудник в Миннесоте, в Италии выкопали целый комплекс рядом с действующим автомобильным тоннелем в Гран-Сассо, а китайские ученые нашли едва ли не лучшее место в мире (с точки зрения защиты от помех) — под Мраморными горами вблизи гидроэлектростанции в провинции Сычуань.

Возможно, решение будет получено не при помощи космических телескопов в горах. Детекторы темной материи монтируют на самых нижних уровнях заброшенных и действующих шахт
AaronRoe / Wikimedia commons / CC BY 2.5

[И как успехи?] Но, несмотря на многие километры продолбленных в твердых горных породах тоннелей и многие годы работы, подземные детекторы по всему миру ничего пока не нашли. Это еще не ставит крест на гипотезе WIMP, поскольку такие частицы могут быть очень разными, однако и ограничений с каждым новым экспериментом прибавляется. Так, в декабре 2018 года группа ученых, работающая с установкой COSINE-100, представила свои результаты в журнале Nature: WIMP не видно, и если у них должна быть масса в 10 гигаэлектронвольт, то сечение взаимодействия должно оказаться меньше 10-40 см2. Сечение, кстати, всегда указывают в паре с ожидаемой энергией частицы: с изменением энергии сечение может меняться. Те же нейтрино, будучи очень сильно разогнанными, уже не прошибают Землю насквозь, а производят целый ливень из вторичных частиц в результате взаимодействия с веществом.

Темная материя легкая: аксионы
[Что это такое] Аксионы отличаются крайне малой массой. Аксион в сравнении со, скажем, электроном (самым легким из слагающей нашу материю тройки фермионов: протон, нейтрон, электрон) — это примерно как монета в сравнении с Землей. Такие сверхлегкие частицы были придуманы не просто так, а для решения иной задачи. Антивещества в мире намного меньше, чем вещества — для объяснения этого факта вместе с несимметричностью некоторых реакций между элементарными частицами и были придуманы аксионы.

[Почему мы их не видим] Из малой массы аксионов следует не только то, что искать их нужно иными методами. Где малая масса, там объект уже скорее проявляет себя как волна, а не как частица — можно сказать, что с уменьшением массы все что угодно становится квантовым объектом. Аксионы с массой на двадцать или все двадцать пять порядков меньше массы электрона должны даже в масштабах звездной системы оказываться чем-то эфемерным и неспособным образовывать компактные структуры. Такая темная материя не образует невидимой альтернативной реальности с планетами и разумными существами, так что изящное фантастическое допущение в романе Боба Шоу «Венок из звезд», увы, останется вымыслом.

[Как ищем] Аксионы пытаются выявить как по их влиянию на распространение электромагнитного излучения на космических масштабах, так и по их возможному взаимодействию с фотонами в стенах лаборатории. На снимке ниже, например, — один из лабораторных детекторов, построенный в рамках эксперимента ADMX в Университете Вашингтона (США). Предполагается, что аксионы в магнитном поле могут превращаться в фотоны и, соответственно, чувствительный детектор напротив камеры с мощным магнитом сможет зафиксировать вспышку родившегося таким образом фотона.

Ученые из проекта ADMS рядом с детектором аксионов

Pat McGiffert, UW

Неспособность аксионов «кучковаться» закрывает существование параллельного аксионного мира с высокой степенью организованности. Но именно это, похоже, и имеет место в действительности. Наблюдения астрофизиков за обычной материей говорят о том, что темная материя формирует шарообразное облако вокруг центральных частей галактик, однако в Солнечной системе явно не чувствуется влияние невидимых нам планет из темной материи.

[И как успехи?] Пока никак. Детекторы, построенные для поиска аксионов, ничего не чувствуют. Возможно, им не хватает чувствительности. Впрочем, альтернативные стратегии поиска в виде астрофизических наблюдений тоже успехом пока не увенчались.

Темная материя экстра: первичные черные дыры

Другой вариант — правда, судя по всему, не позволяющий полностью решить проблему невидимой массы, — это сказать, что во всем виноваты невидимые нам первичные черные дыры.

[Что это такое] Это не уже хорошо знакомые астрономам сверхмассивные гиганты вроде тех, что расположены в центрах галактик, или те, что образуются при коллапсе звезд. Загадка темной материи тут решается предположением, что существуют очень маленькие черные дыры, с массой меньше нашего Солнца, и что такие объекты равномерно раскиданы по галактикам и вблизи оных.

Так как известные нам черные дыры могут получаться только в результате коллапса звезд с массой не меньше 1,6 солнечных, необходимые для замещения темной материи объекты должны были бы появляться практически вместе со Вселенной, во время Большого взрыва. Гипотезу первичных черных дыр отстаивают многие астрофизики — читайте пересказ лекции британского ученого Бернарда Карра и рассказ о том, как российский исследователь Александр Долгов связывает с ПЧД еще несколько космологических загадок.

[Почему мы их не видим] Потому что увидеть черную дыру по определению проблематично. Можно попробовать увидеть ее тень — с этой задачей пытаются сейчас справиться радиоастрономы.

[Как мы их ищем] Есть несколько способов. Теория, разработанная Стивеном Хокингом, гласит, что черная дыра испаряется тем быстрее, чем меньше ее масса, поэтому в конце процесс идет взрывообразно и должен давать яркую вспышку. Легкие по астрономическим меркам черные дыры могли бы «поизноситься» за прошедшее с Большого взрыва время и устроить нам фейерверк по всему небу, но пока телескопы этого не видят. Отсюда мы знаем, что первичные черные дыры в массе своей должны быть тяжелее среднего астероида.

Второй способ — попытаться заметить такие объекты по гравитационному искажению лучей света от далеких небесных тел. В этом направлении тоже ведутся поиски, но и они лишь позволили дополнительно ограничить спектр возможностей, а не закрыть (или подтвердить) гипотезу.

[И как успехи] Больше всего приблизился к успеху в деле рассматривания черных дыр вообще российский «Радиоастрон», а в марте, возможно, чем-то похвастаются европейцы из проекта Event Horizon Telescope. Но оба этих проекта пытаются увидеть сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик, а вот разглядеть малюток с массой меньше солнечной — задача посложнее. Первичные черные дыры, возможно, удастся найти (или доказать их отсутствие) с дальнейшим развитием астрономических наблюдений. Пока что нам приходится довольствоваться находками потяжелее. Так, недавно в центре нашей Галактики кроме одной центральной черной дыры, в миллионы раз тяжелее Солнца, нашли еще множество черных дыр меньшего размера.

Темная материя, которая не материя: очень большие струны

[Что это такое] Один из экзотических вариантов — это космические струны. Вообще, замена точечных частиц на струны лежит в основе целого класса теорий. Таким образом можно получить, например, те же суперсимметричные частицы или аксионы, но в ряде гипотез струны оказываются по-настоящему длинными и вдобавок не намотанными на многомерную поверхность. Струна астрономических масштабов должна быть бесконечно тонкой и иметь при этом очень большую массу.

[Почему мы их не видим] Увидеть такую струну напрямую нельзя, но зато она должна искажать изображение расположенных за ней объектов и, таким образом, оказаться доступной для наблюдений.

[Как мы их ищем] Изучение снимков, сделанных телескопами в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах позволяет заглянуть очень далеко — на миллиарды световых лет от Земли. Эти изображения интересуют астрофизиков не столько из-за струн, сколько из-за первых галактик во Вселенной, сверхмощных квазаров, гамма-всплесков и прочей экзотики. Но чем больше таких данных, тем выше шансы заметить и струны. Или уверенно сказать, что их никто не видит.

[И как успехи?] В 2003 году астрономы даже нашли нечто, что очень походило на струну астрономических размеров, но три года спустя космический телескоп «Хаббл» получил снимки лучшего качества, и загадочный объект на поверку оказался сливающимися галактиками.

CSL-1 — то, что могло оказаться следом космической струны. Сверху: снимок сектора неба. Слева: реконструкция этого объекта, если бы он был линзирован струной. Справа: снимок «Хаббла», показавший, что это две галактики
Изображения из Sazhin M. et al. / arXiv / CC BY 4.0

Темная материя плюс: Q-шары

[Что это такое] Еще один способ создать некую неуловимую массу — это добавить во Вселенную некое новое физическое поле. Поле, разумеется, должно быть не абы каким, а подобным полю, создаваемому бозонами Хиггса и ответственному за массу элементарных частиц. При определенных условиях такое дополнительное поле сформирует шары, обладающие всеми свойствами темной материи.

[Почему мы их не видим] Они, во-первых, будут обладать массой, причем, возможно, как раз достаточной для многократного превосходства над обычным веществом. Во-вторых, такие Q-шары не будут никак взаимодействовать со всем прочим, если только не принимать в расчет гравитацию.

[Как мы их ищем] В 2016 году российский физик Сергей Троицкий предположил, что именно Q-шар, а не черная дыра находится в центре нашей Галактики, но проверка этой гипотезы опять упирается в возможности современных радиотелескопов. С другой стороны, ряд расчетов указывает на возможность порождения подобными полями гравитационных волн, а вот их физики уже научились обнаруживать.

[И как успехи?] В 2017 году международная группа ученых посчитала, будут ли создаваемые темной материей гравитационные волны регистрироваться существующими детекторами. Результатом стало очередное ограничение. Если некое неизвестное скалярное поле и существует, оно не может быть сделано из бозонов с массой от 10-18 до электронвольт. Что соответствует очень легким частицам, в триллионы миллиардов раз легче электрона.

Развитие техники, включая столь неочевидные направления, как создание высокоточных атомных часов, позволяет фиксировать гравитационные волны с меньшей амплитудой, и, возможно, скоро физики смогут больше узнать о темной материи за счет подобных наблюдений. Гравитационные волны способны рассказать и о катастрофических событиях вроде слияния черных дыр (соответственно, можно узнать про то, существуют ли черные дыры с «неправильной» массой, кандидаты в первичные черные дыры), и о каких-то пока что неизученных процессах с участием темной материи.

Темная материя, которая на самом деле очень большая черная дыра

В завершение стоит упомянуть гипотезу Николая Горькавого. Согласно ей, наблюдаемые и приписываемые темной материи эффекты на самом деле порождаются сверхмассивной черной дырой очень большой массы. А Вселенная в этой же модели не расширяется с ускорением, а проходит через повторяющиеся циклы сжатия и разлета.

Эта гипотеза заодно позволяет избавиться от раздвигающей Вселенную с ускорением темной энергии (про нее вообще толком неясно, что же это такое), но на сегодня это все-таки экзотическая гипотетическая модель.
Большая часть попыток найти темную материю связана с WIMP, и, по всей видимости, ситуация вряд ли радикально изменится в ближайшие годы.

источник