Тёмная материя

Состав Вселенной по данным WMAP

Тёмная материя в астрономии и космологии — это гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества делает невозможным её прямое наблюдение. Однако возможно обнаружить присутствие тёмной материи по создаваемым ею гравитационным эффектам. Обнаружение тёмной материи поможет решить проблему скрытой массы, которая, в частности, заключается в аномально быстрой скорости вращения внешних областей галактик.

Данные наблюдений

Известно, что тёмное вещество взаимодействует со «светящимся» (барионным) по крайней мере гравитационным образом и представляет собой среду со средней космологической плотностью, в несколько раз превышающей плотность барионов. Последние захватываются в гравитационные ямы концентраций тёмной материи. Поэтому, хотя частицы тёмной материи и не взаимодействуют со светом, свет испускается оттуда, где есть тёмное вещество. Это замечательное свойство гравитационной неустойчивости сделало возможным изучение количества, состояния и распределения тёмной материи по наблюдательным данным от радиодиапазона до рентгеновского излучения.

Кандидаты на роль темной материи

Барионная тёмная материя

Наиболее естественным кажется предположение, что тёмная материя состоит из обычного, барионного вещества, по каким-либо причинам слабо взаимодействующего электромагнитным образом и потому необнаружимого при исследовании, к примеру, линий излучения и поглощения. В состав тёмного вещества могут входить многие уже обнаруженные космические объекты, как то: тёмные галактические гало, коричневые карлики и массивные планеты, компактные объекты на конечных стадиях эволюции: белые карлики, нейтронные звёзды, чёрные дыры. Кроме того, такие гипотетические объекты, как кварковые звёзды, Q-звёзды и преонные звёзды также могут являться частью барионной тёмной материи.

Проблемы такого подхода проявляются в космологии Большого взрыва: если вся тёмная материя представлена барионами, то соотношение концентраций лёгких элементов после первичного нуклеосинтеза, наблюдаемое в самых старых астрономических объектах, должно быть другим, резко отличающимся от наблюдаемого. Кроме того, эксперименты по поиску гравитационного линзирования света звёзд нашей Галактики показывают, что достаточной концентрации крупных гравитирующих объектов типа планет или чёрных дыр для объяснения массы гало нашей Галактики не наблюдается, а мелкие объекты достаточной концентрации должны слишком сильно поглощать свет звёзд.

Небарионная тёмная материя

Теоретические модели предоставляют большой выбор возможных кандидатов на роль небарионной невидимой материи. Перечислим некоторые из них.

Лёгкие нейтрино

В отличие от остальных кандидатов, нейтрино обладают явным преимуществом: известно, что они существуют. Поскольку число нейтрино во Вселенной сравнимо с числом фотонов, то, обладая даже малой массой, нейтрино вполне могут определять динамику Вселенной. Для достижения Ω = ρ / ρ_c = 1, где ρ_c - так называемая критическая плотность , необходимы нейтринные массы порядка 15 − 65 / N_ν эВ, где N_ν обозначает число типов легких нейтрино. Эксперименты, проводимые на сегодняшний день, дают оценку масс нейтрино порядка 10 ^{− 2} − 10 ^{− 3} эВ. Таким образом, лёгкие нейтрино практически исключаются в качестве кандидата на доминирующую фракцию тёмной материи.

Тяжёлые нейтрино

Из данных о ширине распада Z-бозона следует, что число поколений слабо взаимодействующих частиц (в том числе нейтрино) равно 3. Таким образом, тяжёлые нейтрино ν_s (по крайней мере, с массой менее 45 ГэВ) с необходимостью являются т. н. «стерильными», то есть не взаимодействующими слабым образом частицами. Теоретические модели предсказывают массу ν_s в очень широком диапазоне значений (в зависимости от природы этого нейтрино). Из феноменологии для ν_s следует диапазон масс приблизительно 0.1 − 10 эВ, таким образом, стерильные нейтрино вполне могут составлять существенную часть тёмной материи.

Суперсимметричные частицы

В рамках суперсимметричных (SUSY) теорий существует по меньшей мере одна стабильная частица, которая является новым кандидатом на роль тёмной материи. Предполагается, что эта частица (LSP) не принимает участия в электромагнитном и сильном взаимодействиях. В качестве LSP-частицы могут выступать фотино, гравитино, хиггсино (суперпартнеры фотона, гравитона и бозона Хиггса соответственно), а также снейтрино, вино, и зино. В большинстве теорий LSP-частица представляет собой комбинацию перечисленных выше SUSY-частиц в массой порядка 10 ГэВ.

Космионы

Космионы были введены в физику для разрешения проблемы солнечных нейтрино, состоящей в существенном отличии потока нейтрино, детектируемых на Земле, от значения, предсказываемого стандартной моделью Солнца. Однако эта проблема нашла разрешение в рамках теории нейтринных осцилляций и эффекта Михеева — Смирнова — Вольфенштейна, так что космионы, по всей видимости, исключаются из претендентов на роль тёмной материи.

Топологические дефекты пространства-времени

Согласно современным космологическим представлениям энергия вакуума определяется неким локально однородным и изотропным скалярным полем. Это поле необходимо для описания так называемых фазовых переходов вакуума при расширении Вселенной, во время которых происходило последовательное нарушение симметрии, приводящее к разъединению фундаментальных взаимодействий. Фазовый переход — это скачок энергии вакуумного поля, стремящегося к своему основному состоянию (состоянию с минимальной энергией при данной температуре). Различные области пространства могли испытывать такой переход независимо, в результате чего образовывались области с определенной «выстроенностью» скалярного поля, которые, расширяясь, могли войти в соприкосновение друг с другом. В точках встречи областей с различной ориентацией могли образоваться стабильные топологические дефекты различной конфигурации: точечно-подобные частицы (в частности, магнитные монополи), линейные протяжённые объекты (космические струны), двумерные мембраны (доменные стенки), трехмерные дефекты (текстуры). Все эти объекты обладают, как правило, колоссальной массой и могли бы давать доминирующий вклад в тёмную материю. На текущий момент (2011 год) подобные объекты во Вселенной не обнаружены.

Классификация тёмной материи

В зависимости от скоростей частиц, из которых состоит тёмная материя, её можно разделить на несколько классов.

Горячая тёмная материя

Состоит из частиц, движущихся со скоростью, близкой к световой — вероятно, из нейтрино. Эти частицы имеют очень маленькую массу, но всё же не нулевую, и учитывая огромное количество нейтрино во Вселенной (300 частиц на 1 см³), это даёт огромную массу. В некоторых моделях на нейтрино приходится 10 % тёмной материи.

Эта материя из-за своей огромной скорости не может образовывать стабильные структуры, но может влиять на обычное вещество и другие виды тёмной материи.

Тёплая тёмная материя

Материю, движущуюся с релятивистскими скоростями, но ниже, чем у горячей тёмной материи, называют «тёплой». Скорости её частиц могут лежать в пределах от 0,1c до 0,95c. Некоторые данные, в частности, температурные колебания фонового микроволнового излучения, дают основания полагать, что такая форма материи может существовать.

Пока нет никаких кандидатов на роль составляющих тёплой тёмной материи, но возможно, стерильные нейтрино, которые должны двигаться медленнее обычных трёх ароматов нейтрино, могут стать одним из них.

Холодная тёмная материя

Тёмную материю, которая движется при классических скоростях, называют «холодной». Этот вид материи представляет наибольший интерес, так как, в отличие от тёплой и горячей тёмной материи, холодная может образовывать стабильные формирования, и даже целые тёмные галактики.

Пока частицы, подходящие на роль составных частей холодной тёмной материи, не обнаружены. В качестве кандидатов на роль холодной тёмной материи выступают слабо взаимодействующие массивные частицы — вимпы, такие как аксионы и суперсимметричные партнёры-фермионы лёгких бозонов — фотино, гравитино и другие.

Смешанная тёмная материя

До предложения теории тёмной энергии была разработана перспективная модель тёмной материи, состоящей из холодной и горячей материи в определённых пропорциях.

Обнаружение

Основная трудность при детектировании частиц тёмной материи состоит в том, что все они электрически нейтральны. Имеются два метода детектирования: прямое и косвенное. При прямом детектировании изучаются следствия взаимодействия этих частиц с электронами или атомными ядрами с помощью наземной аппаратуры. Косвенные методы основаны на попытках детектирования потоков вторичных частиц, которые возникают, например, благодаря аннигиляции солнечной или галактической тёмной материи.

Эксперимент EDELWEISS направлен на прямое детектирование частиц WIMP. В качестве мишени служат полупроводниковые детекторы, охлаждённые до температуры в несколько мК.

В массовой культуре

• В серии игр Mass Effect тёмная материя и тёмная энергия в форме так называемого «Нулевого элемента» необходимы для движения со сверхсветовыми скоростями. Некоторые люди, биотики, используя тёмную энергию, могут контролировать поля эффекта массы.
• В мультсериале «Футурама» тёмная материя используется в качестве топлива для космического корабля компании «Межпланетный экспресс». Появляется материя на свет в виде испражнений инопланетной расы «зубастильонцы» и по весу крайне тяжела.

См. также

• Тёмная энергия
• Скрытая масса
• Тёмная звезда

Список литературы

• Сайт Modern Cosmology, содержащий в том числе подборку материалов по тёмной материи.
• Г.В.Клапдор-Клайнгротхаус, А.Штаудт Неускорительная физика элементарных частиц. М.: Наука, Физматлит, 1997.

Ссылки

• С. М. Биленький, Массы, смешивание и осцилляции нейтрино, УФН 173 1171—1186 (2003)
• В. Н. Лукаш, Е. В. Михеева, Темная материя: от начальных условий до образования структуры Вселенной, УФН 177 1023—1028 (2007)