Тёмная материя, Загадка Вселенной Опции

[Wendy]

Американские астрономы утверждают, что им впервые удалось обнаружить на космических фотографиях четкий след экзотической формы вещества, которую принято называть темной материей. Если эта заявка выдержит последующие проверки, она, вне всякого сомнения, будет признана одним из крупнейших открытий нашего времени в области астрофизики и космологии. Термин "темная материя" куда моложе стоящего за ним явления, которое известно уже почти три четверти века. В 1932 году голландский астроном Ян Оорт заметил, что звезды нашей Галактики движутся слишком быстро для того, чтобы взаимное притяжение не позволило им разлететься. Оорт предположил, что в Галактике есть еще какое-то вещество, которое своим тяготением удерживает звезды на их орбитах в галактическом диске. Отсюда следовало, что общая масса галактической материи намного превосходит суммарную массу звезд. Вскоре к таким же выводам независимо друг от друга пришли американские астрономы Фриц Цвикки и Синклер Смит которые измеряли скорости галактик, входящих в скопления Волосы Вероники и Девы.

Темная материя (или "скрытая масса") - это вещество неизвестного состава, не испускаяющее и непоглощающее электромагнитного излучения, но участвующее в гравитационных взаимодействиях. Поэтому наблюдать "темную материю" непосредственно невозможно и о ее существовании свидетельствуют результаты наблюдений за искривлением проходящих мимо скоплений "темной материи" световых лучей под действием силы притяжения. "Темную материю" астрономы находили и раньше, но теперь они впервые могут изучать отдельный объект.

Частицы темной материи в принципе можно зарегистрировать с помощьюземных детекторов, но пока это никому не удавалось. Следовательно, остается космос. Тяготение темной материи искривляет световые лучи, идущие от далеких звезд к Земле, и при этом на время меняет их видимый блеск. Этот эффект гравитационного линзирования уже можно обнаружить. Идею такого поиска темной материи двадцать лет назад выдвинул профессор Принстонского университета Богдан Пачинский и с тех пор она осуществляется весьма активно. В ходе реализации этой исследовательской программы удалось добыть немало косвенных данных о существовании исполинских облаков темной материи, однако прямые доказательства ее реальности все же отсутствовали.

» Кликните сюда для просмотра оффтоп текста.. «

Гравитационное линзирование

И вот теперь, судя по всему, такое доказательство появилось (насколько надежное - это уже другой вопрос). Оно получено объединенными усилиями ученых, использующих аппаратуру американской орбитальной рентгеновской обсерватории "Чандра", космического телескопа имени Хаббла, Очень Большого Телескопа (VLT) Южной Европейской обсерватории и находящегося на том же высокогорном плато в Чили телескопа "Магеллан". Они проанализировали снимки космического объекта 1Е0657-556 из южного созвездия Киля. Он представляет из себя пару близколежащих галактических скоплений, которые около ста миллионов лет назад испытали лобовое столкновение на встречной скорости 4700 км/с, а теперь мало-помалу удаляются друг от друга.

Астрономы и астрофизики сильно заинтересовались объектом 1Е0657-556 вскоре после его открытия в 1995 году. Вот уже шесть лет как за ним следит "Чандра", что само по себе показательно. Межзвездное пространство внутри этих скоплений заполнено газом, нагретым до десятков миллионов градусов, который очень сильно светит в рентгеновском диапазоне. Когда меньший по размеру кластер вошел в кластер-гигант, впереди меньшего возникла ударная волна, которая и разогрела этот газ до столь высоких температур. Ее фронт имеет характерную форму натянутого лука или пулевого наконечника, отсюда и неформальное название - скопление Пули.

То же, но с наложенной "гравитационной картой". Фиолетовым цветом показана предположительная локализация темной материи

Этот избыток раскаленного газа и позволил выявить "подпись" темной материи. Звезды столкновения практически не почувствовали - по причине большой удаленности друг от друга. Облака темной материи тоже прошли друг через друга без задержки - из-за очень слабого взаимодействия своих частиц. А вот газовые начинки обоих кластеров затормозились друг о друга и отстали от прочего вещества. В результате темная материя оказалась "в голове" каждого кластера, а основная масса газа - "в хвосте". Вот эту асимметрию и позволили выявить оценки распределения масс скоплений, сделанные разными методами (в том числе гравитационным линзированием).

Однако это только начало. Еще не все специалисты согласны с интерпретацией, предложенной астрономом из Аризонского университета Дугом Клоувом и его коллегами. Кроме того, новые данные все еще не содержат никакой информации о природе темной материи. Точнее, подтверждена основная гипотеза, что, эта материя состоит из слабо взаимодействующих частиц, но вот каких именно, пока неясно.

[Wendy]

30 октября были объявлены первые результаты LUX — нового эксперимента по поиску частиц темной материи. Статистика, накопленная за три месяца работы, не дает никаких надежных указаний на частицы темной материи. Установленные LUX ограничения в несколько раз улучшают то, что было получено до сих пор.


Астрофизические данные указывают на то, что во Вселенной помимо звезд, планет, газа и пыли есть много темной материи, которая исключительно слабо взаимодействует со «светлым» веществом. Она заполняет галактики и галактические скопления и состоит из частиц какого-то нового сорта, которым нет места в Стандартной модели. Ни массы, ни другие характеристики этих частиц достоверно не известны, хотя теорий на этот счет существует множество. Было бы здорово открыть эти новые частицы на Большом адронном коллайдере, но все попытки дают пока что отрицательные результаты.

В этой ситуации физикам остается лишь проводить эксперименты по поиску частиц темной материи в природе. Эти поиски бывают прямые и непрямые. Непрямые поиски — это попытки зарегистрировать какую-то необычную особенность в спектре фотонов большой энергии или космических лучей, приходящих к нам из глубокого космоса. Несмотря на некоторые интересные результаты, подтвержденных открытий здесь пока нет, и в этой новости мы непрямых поисков касаться не будем. Также темная материя в огромных количествах пролетает сквозь Землю. Если ее частицы могут как-то взаимодействовать с обычным веществом, то такие столкновения должны изредка происходить в земной толще. Прямые поиски частиц темной материи — это как раз попытки зарегистрировать хоть одно такое столкновение в лабораторных условиях, внутри специального подземного детектора.

» Кликните сюда для просмотра оффтоп текста.. «

Идея тут простая. Если частица темной материи сталкивается с ядром рабочего вещества детектора в каком-то атоме и упруго от него отскакивает, она передает ему некоторый импульс и энергию (рис. 2). С точки зрения детектора всё выглядит так, словно ядро резко толкнул кто-то невидимый. Это приводит к выделению небольшой энергии в детекторе, к ионизации атомов и к высвечиванию некоторой доли энергии в виде фотонов. Все эти проявления пытаются зарегистрировать датчики, установленные внутри емкости с рабочим веществом.

В отличие от детекторов в коллайдерных экспериментах, в которых события регистрируются многие тысячи раз в секунду, детекторы темной материи практически всё время «молчат» и только изредка срабатывают. И это совсем не потому, что частиц темной материи мало — их-то пролетает ежесекундно по несколько штук через каждый квадратный сантиметр земной поверхности. Просто Земля для частиц темной материи почти прозрачна. Поэтому столкновения частиц темной материи с веществом детектора должны происходить очень редко, и типичный эксперимент по их поиску заключается в том, чтобы сидеть и терпеливо ждать месяцы и годы, стараясь при этом свести на нет все посторонние шумы и ложные срабатывания детектора.

Три основных параметра детекторов частиц темной материи, которые можно улучшать, — это объем, радиационная чистота и чувствительность. С объемом всё ясно: чем больше в нем вещества, тем крупнее сам детектор, а значит, тем больше частиц темной материи могут сквозь него пролететь за год, а также тем с большим количеством атомов у них есть шанс столкнуться. Если первые эксперименты проводились с килограммовыми массами, то самые последние детекторы содержат уже сотни килограммов вещества, а через несколько лет будут запущены эксперименты тонных масштабов.

Однако с увеличением объема растет и количество фоновых событий, т.е. случаев срабатывания детектора, которые возникают по «земным» причинам и никак не связаны с пролетом частиц темной материи. Прежде всего, на работу детектора могут влиять частицы космических лучей, но от этого фона можно избавиться, если установить детектор глубоко под землей. Намного труднее устранить распад радиоактивных изотопов, которые в следовых количествах находятся внутри детектора. Его можно минимизировать только сверхвысокой очисткой вещества от нестабильных изотопов. При этом радиационно чистым должно быть не только рабочее тело детектора, но и все материалы, используемые в изолирующих стенках и в регистрирующей аппаратуре (см. некоторые подробности в новости Эксперимент DAMA по-прежнему «видит» частицы темной материи, «Элементы», 21.04.2008).

Наконец, от детекторов частиц темной материи требуется еще и высокая чувствительность и надежность разделения сигнала и фона. Это означает, что датчики должны уметь регистрировать очень небольшое энерговыделение где-то в толще рабочего вещества (т.е. порог срабатывания должен быть низким), а также уметь аккуратно измерять его характеристики, например ионизацию или слабенькую вспышку света. Это всё дополнительно поможет отделить фон от сигнала и, в случае регистрации нескольких событий, повысить надежность интерпретации этого сигнала как проявления темной материи.