10-те най-интригуващи въпроси без отговор за тъмната материя

През 30-те години на миналия век швейцарският астроном на име Фриц Цвики забелязва, че галактиките в отдалечен клъстер се въртят около себе си много по-бързо, отколкото би трябвало да им позволява наличното количеството видима маса, което съдържат. Тогава той предполага, че невидимо вещество, което нарича тъмна материя, може би оказва гравитационно влияние върху тези галактики.

Оттогава изследователите потвърждават, че този загадъчен материал може да бъде открит из целия Космос и че той е шест пъти повече от нормалната материя, която съставлява обикновени неща като звездите и хората. И все пак, въпреки че се сблъскват с тъмната материя навсякъде из Вселената, учените все още си блъскат главите над нея и нейното естество. 

Ето ги и 10-те най-големи въпроса за тъмната материя, които все още нямат отговор:

Какво е тъмната материя?

Първото и може би най-объркващото е, че изследователите остават несигурни по въпроса какво точно представлява тъмната материя. Първоначално някои учени предполагат, че липсващата маса във Вселената се състои от малки слаби звезди и черни дупки, въпреки че подробните наблюдения съвсем не са открили достатъчно такива обекти, за да се отчете влиянието на тъмната материя, както физикът Дон Линкълн от U.S. Department of Energy’s Fermilab по-рано писа за Live Science


РЕКЛАМА:

***

Настоящият водещ претендент за мантията на тъмната материя е хипотетична частица, наречена слабо взаимодействаща масивна частица, или WIMP, която би се държала като неутрон, освен че би била между 10 и 100 пъти по-тежка от протон, както пише Линкълн. И все пак тази догадка доведе само до повече въпроси – например…

Можем ли да уловим тъмната материя?

Ако тъмната материя е направена от WIMP частици, те трябва да са навсякъде около нас, невидими и едва откриваеми. И така, защо все още не сме намерили такива? 

Въпреки че те не биха взаимодействали много с обикновената материя, винаги има някакъв малък шанс частица от тъмна материя да удари обикновена частица като протон или електрон, докато пътува през космоса. Учените провеждат експеримент след експеримент, за да изследват огромен брой обикновени частици дълбоко под земята, където те са защитени от интерферираща радиация, която може да имитира сблъсък на тъмна материя и частици. Проблемът? След десетилетия на търсене нито един от тези детектори не е направил достоверно откритие. По-рано тази година китайският експеримент PandaX отчете най-новото неоткриване на WIMP. Изглежда вероятно частиците на тъмната материя да са много по-малки от WIMP или да им липсват свойствата, които биха ги направили лесни за изучаване, каза по това време физикът Хай-Бо Ю от Калифорнийския университет в Ривърсайд.

Състои ли се тъмната материя от повече от една частица?

Обикновената материя се състои от обикновени частици като протони и електрони, както и от цяла “зоологическа градина” с по-екзотични частици като неутрино, мюони и пиони. И така, някои изследователи се питат дали тъмната материя, която съставлява 85 процента от материята във Вселената, може да е също толкова сложна. 

„Няма основателна причина да се предполага, че цялата тъмна материя във Вселената е изградена само от един тип частици“, казва физикът Андрей Кац от Харвардския университет пред Space.com. Тъмните протони могат да се комбинират с тъмни електрони, за да образуват тъмни атоми, създавайки конфигурации, толкова разнообразни и интересни, колкото тези във видимия свят, казва още Кац. Докато подобни предложения все по-често се измислят във физическите лаборатории, то измислянето на начин за тяхното потвърждаване или отричане засега убягва на учените.

Съществуват ли тъмни сили?

Заедно с допълнителните частици тъмна материя, съществува възможност върху тъмната материя да влияят сили, аналогични на тези, действащи и върху обикновената материя. Някои изследователи са търсили „тъмни фотони“, които биха били като фотоните, разменяни между нормалните частици, които пораждат електромагнитната сила, с изключение на това, че те биха се усещали само от частици тъмна материя. 

Физиците в Италия се готвят да разбият лъч от електрони и техните частици, известни като позитрони, в диамант. Ако съществуват тъмни фотони, двойките електрон-позитрон могат да унищожат и да произведат една от странните силоносни частици потенциално отваряйки чисто нов сектор на Вселената.

Може ли тъмната материя да е изградена от аксиони?

И докато физиците стават все по-склонни да изоставят идеята за WIMP, други теоретични частици тъмна материя започват да печелят благосклонността им. Един от водещите заместители е хипотетична частица, известна като аксион, която би била изключително лека, може би с маса едва 10 повдигнато на 31-ва степен от масата на един протон. 

Сега протичат няколко експеримента, с които се търсят аксиони. Последните компютърни симулации увеличиха възможността тези аксиони да образуват подобни на звезда обекти, имащаи потенциала да произведат откриваема радиация, която би била доста подобна на загадъчни явления като бързите радиовълни.


Какви са свойствата на тъмната материя?

Астрономите откриха тъмната материя чрез нейните гравитационни взаимодействия с обикновената материя, което предполага, че това е основният начин да се оповести нейното присъствие във Вселената. Но когато се опитват да разберат истинската същност на тъмната материя, изследователите имат възможност да продължат удивително малко нататък. 

Според някои теории частиците на тъмната материя трябва да бъдат свои собствени античастици, което означава, че две такива частици от тъмна материя биха се самоунищожили взаимно ако се срещнат една с друга. Експериментът с алфа магнитен спектрометър (AMS) на Международната космическа станция търси издайническите признаци на това унищожение от 2011 г. и вече е открил стотици хиляди събития. Учените все още не са сигурни дали те идват от тъмната материя и сигналът все още не им помага да установят точно какво е тъмната материя.

Съществува ли тъмна материя във всяка галактика? 

Тъй като тя толкова превъзхожда по маса обикновената материя, често се споменава, че тъмната материя е управляващата сила, която организира големи структури като галактиките и галактическите купове. Поради което беше странно, когато по-рано тази година астрономите обявиха, че са открили галактика на име NGC 1052-DF2, която изглежда не съдържа почти никаква тъмна материя. 

„Тъмната материя очевидно не е задължително изискване за формиране на галактика“, казва Питър ван Докум от Йейлския университет. През лятото обаче отделен екип публикува анализ, който предполага, че екипът на ван Докум е измерил погрешно разстоянието до галактиката, което означава, че видимата ѝ материя е много по-тъмна и по-лека от първоначалните открития и че всъщност по-голямата част от нейната маса е в тъмна материя, за разлика от предишните предположения.

Може ли тъмната материя да има електрически заряд?

Сигнал от началото на времето е накарал някои физици да предположат, че тъмната материя може да има електрически заряд. Радиация с дължина на вълната 21 сантиметра е била излъчена от звезди в ранния период непосредствено след раждането на Вселената, само 180 милиона години след Големия взрив. След това е била погълната от студен водород, съществуващ тогава наоколо. 

Когато тази радиация беше открита през февруари тази година, нейният подпис предполагаше, че водородът е много по-студен, отколкото учените бяха предвидили. Астрофизикът Джулиан Муньос от Харвардския университет предположи, че тъмната материя с електрически заряд е могла да отвлече топлината от всеобхватния водород, нещо като кубчета лед, плаващи в лимонада. Но предположенията все още не са потвърдени.

Могат ли обикновените частици да се разпаднат до тъмна материя?

Неутроните са обикновени материални частици с ограничен живот. След около 14,5 минути, самотен неутрон, отделен от атом, ще се разпадне в протон, електрон и неутрино. Но две различни експериментални настройки дават малко по-различна продължителност на живота на този разпад, като разминаването между тях е около 9 секунди, според експерименти, цитирани в проучване от юли в списание Physical Review Letters. 

По-рано тази година физиците предположиха, че ако през 1 процент от времето някои неутрони се разлагат на частици тъмна материя, това може да обясни тази аномалия. Кристофър Морис от Националната лаборатория в Лос Аламос (Ню Мексико) и неговият екип наблюдаваха неутроните за сигнал, който може да е тъмна материя, но не успяха да открият нищо. Те предполагат, че други сценарии на разпадане все още могат да бъдат възможни, според проучването им.

Съществува ли в действителност тъмната материя?

Предвид трудностите, с които учените винаги са се сблъсквали, опитвайки се да открият и обяснят тъмната материя, разумен въпрос би било дали всъщност те не правят всичко погрешно. В продължение на много години гласно малцинство от физици прокарва идеята, че може би нашите теории за гравитацията са просто неправилни и че основната сила работи по различен начин при по-големи мащаби, а не по какъвто ние очакваме. Често известни като „модифицирана Нютонова динамика“ или модели на MOND, тези предложения твърдят, че няма тъмна материя и свръх бързите скорости, с които се вижда, че звездите и галактиките се въртят една около друга, са следствие от гравитационното поведение, държащо се по изненадващи начини. 

„Тъмната материя все още е непотвърден модел“, уточнява физикът Дон Линкълн пред Live Science. И все пак скептиците все още не са убедили по-голямата част от научните среди в своите идеи.
А последните доказателства? Те също сочат, че тъмната материя е реална.

Източници: Space.com, Live Science, Physical Review Letters
Превод: Радослав Тодоров

Статията е част от новия брой 142 на списание Българска наука>>

Подаряваме ти първите 37 стр. от брой 142 тук>>

 


Европейска нощ на учените 2022 г.: