11 важни въпроса за тъмната материя, на които все още няма отговор

Мрежа от тъмна материя

През 30-те години на миналия век астроном на име Фритц Цвики забелязал, че галактиките в далечен клъстър обикалят една около друга много по-бързо от предполаганото, като се има предвид видимата им маса. Той предположил наличието на невидима субстанция, която нарекъл тъмна материя и която вероятно придърпва гравитационно тези галактики.

От тогава насам учените са потвърдили, че този мистериозен материал може да бъде намерен в космоса и че е шест пъти по-изобилен от обикновената материя, съставляваща нормални предмети като звездите и хората. Въпреки че намират тъмна материя във Вселената, учените все още не са разгадали много от тайните ѝ. Ето 11 от най-важните въпроси за тъмната материя, които все още нямат отговор.

Какво е тъмната материя?

Като за начало и може би най-объркващо е, че учените остават несигурни какво точно представлява тъмната материя. Първоначално някои от тях предположили, че липсващата маса във Вселената е съставена от изчезващи звезди и черни дупки, въпреки че детайлните наблюдения не са открили достатъчно такива обекти, за да обяснят влиянието на тъмната материя. Това казва и физикът Дон Линкълн от Фермилаб към Министерство на енергетиката на САЩ в предишна публикация в Live Science. Настоящият претендент за частица на тъмната материя е хипотетичната частица, наречена слабо взаимодействаща масивна частица или WIMP, която би трябвало да се държи като неутрон, с изключение на това, че е между 10 и 100 пъти по-тежка от протоните, пише още Линкълн. Да, тази хипотеза е довела само до повече въпроси – например…


РЕКЛАМА:

***

Можем ли да засечем тъмната материя?

Ако тъмната материя е съставена от WIMP, то тогава те би трябвало да са около нас, невидими и почти неоткриваеми. И защо ли не сме ги открили още? Въпреки че почти не взаимодействат с нормалната материя, винаги съществува малък шанс частица тъмна материя да се сблъска с обикновена частица като протон или неутрон, докато пътува из космоса. Затова учените са създали експеримент за изучаване на огромния брой обикновени частици дълбоко под земята, където са предпазени от радиационни смущения, които биха могли да имитират сблъсък между тъмна материя и частица. Какъв е проблемът? След десетилетия търсене, никой от тези детектори не е направил значимо откритие. Последният съобщен неуспех за засичането на WIMP бе по-рано тази година при експеримента Китайска панда Х (Chinese PandaX). Изглежда много вероятно частиците тъмна материя да са много по-малки от WIMP или поне не притежават свойства, които да ги направят лесни за изучаване, твърди Хай-Бо Ю от Университета на Калифорния, Ривърсайд.

Тъмната материя състои ли се от повече от една частица?

Обикновената материя се състои от често срещани частици като протони и електрони, както и от цял зоопарк от по-екзотични частици като неутринота, мюони и пиони. Затова някои учени се чудят дали тъмната материя, която съставлява 85% от материята във Вселената, може да бъде също толкова сложна. „Няма причина да предполагаме, че цялата тъмна материя във Вселената е съставена само от един вид частица“, твърди физикът Андри Картц от Университета Харвард. Тъмните протони могат да се комбинират с тъмни електрони за да сформират тъмни атоми, от които могат да бъдат създадени толкова разнообразни и интересни конфигурации, колкото и тези, които срещаме във видимия свят, казва още Картц. Въпреки че такива предложения са все по-често представяни във физичните лаборатории, измислянето на начин за потвърждаването или отхвърлянето им все още затруднява учените.

Съществуват ли тъмни сили?

Също като предполагаемите частици на тъмната материя, е възможно и съществуването на аналожни физични сили. Някои изследователи са търсили „тъмни фотони“, които биха били подобни на фотоните, разменяни между нормалните частици, предизвикващи електромагнитни взаимодействия, с единствената разлика, че биха въздействали на частици тъмна материя. Италиански физици се подготвят да сблъскат лъч електрони и техните античастици, познати като позитрони във вътрешността на диамант. Ако тъмните фотони съществуват, електронно-позитронните двойки биха се анихилирали (елиминирали взаимно) и би се получила една от най-странните частици, носители на физични сили, потенциално розкриващи изцяло нов участък от Вселената.

Възможно ли е тъмната материя да е съставена от аксиони?

Тъй като физиците все повече губят интерес към частиците WIMP, други частици тъмна материя започват да набират популярност. Един от водещите заместители като хипотетична частица е позната като аксион, която би трябвало да е изключително лека, вероятно от порядъка на 10 на 31-ва степен пъти по-малка от масата на протона. Към момента някои експерименти търсят аксионите. Скорошни компютърни симулации са показали възможността тези аксиони да образуват подобни на звезди обекти, които от своя страна да произвеждат радиация много подобна на мистериозния феномен, познат като бързи радиоизбухвания.

Какви са свойствата на тъмната материя?

Астрономите открили тъмната материя чрез гравитационните взаимодействия с обикновената материя, което предполага, че това е основния начин за разпознаване на присъствието ѝ във Вселената. Но когато се опитват да разберат истинската природа на тъмната материя, изследователите имат забележително малък напредък. Според някои теоретици, частиците тъмна материя трябва да притежават и собствени античастици, което означава, че две частици тъмна материя би следвало да се анихилират (елиминират) една друга, когато се срещнат. Експерименти с помощта на алфа-магнетичния спектрометър (AMS) на Международната космическа станция търсят доказателства за подобно анихилиране още от 2011 г. и вече са засечени хиляди събития. Учените все още не са сигурни дали те се пораждат от тъмната материя, а сигналите все още не са от помощ за определяне точно какво представлява тъмната материя.

Съществува ли тъмна материя във всяка галактика?

Понеже е значително по-масивна от обикновената материя, тъмната материя често се смята за контролиращата сила, която организира големи структури като галактики и галактически купове. Затова беше учудващо за всички, когато по-рано тази година астрономите обявиха, че в галактика на име NGC 1052-DF2, почти не може да бъде открита тъмна материя. „Наличието на тъмна материя очевидно не е необходимо за създаването на галактика“, казва Питър ван Доккум от Йейлския университет. Въпреки това през лятото, друг екип публикува анализ, предполагащ че екипът на Ван Доккум е допуснал грешка в измерването на разстоянието до галактиката, което означава, че видимата материя е много по-гъста и лека от първоначалните предположения, че по-голямата част от масата ѝ е съставена от тъмна материя.

Какво става с резултатите от DAMA/LIBRA?

Озадачаващи са резултатите от европейския експеримент, познат като DAMA/LIBRA. Този детектор, намиращ се в подземна мина под планината Гран Сасо в Италия, търси периодични осцилации (трептения) на частиците тъмна материя. Тези трептения би трябвало да се увеличават при движението на Земята по орбитата и около Слънцето, докато лети през галактическия поток тъмна материя, обграждаща нашата слънчева система, понякога наричан вятър от тъмна материя. Още от 1997 г. DAMA/LIBRA твърди, че засича точно този сигнал, въпреки че никой друг експеримент не е засичал нещо подобно.

Може ли тъмната материя да има електричен заряд?

Сигнал още от зората на времето е накарал някои физици да предположат, че тъмната материя може да притежава електричен заряд. Радиация с дължина на вълната от 21 сантиметра е била излъчена от звездите още в ранните години след създаването на Вселената, само 180 милиона години след Големия взрив. По-късно е била абсорбирана от студения водород, горе-долу по същото време. Когато тази радиация бе засечена през февруари тази година, резултатите показаха, че водородът е бил с много по-ниска температура отколкото са предполагали учените. Астрофизикът Джулиан Муньоз от Университета Харвард предложи хипотезата, че тъмна материя с електричен заряд би могла да понижи температурата на водорода, подобно на ледени кубчета в лимонада. Но това предположение все още не е потвърдено.

Могат ли обикновените частици да се разпаднат до тъмна материя?

Неутроните са обикновени частици материя с ограничен живот. След около 14,5 минути самотен неутрон, неоткъснат от никой атом, ще се разпадне на протон, електрон и неутрино. Но две експериментални постановки показват леко различни продължителности на живота на частицата преди този разпад, с разлика от 9 секунди помежду им, според експериментите цитирани през юли в списание Physical Review Letters. По-рано тази година физиците предположиха, че ако през 1% от времето някои неутрони се разпадат в частици тъмна материя, това би обяснило тези различия. Кристофър Морис от национална лаборатория Лос Аламос в Ню Мексико и неговият екип са наблюдавали неутрони за сигнали, които могат да бъдат от тъмна материя, но не са успели да засекат нищо. Те предполагат, че други сценарии на разпад може все пак да са възможни, поне според проучванията.

Всъщност съществува ли наистина тъмна материя?

Имайки предвид трудностите, които учените имат при опитите си да засекат и обяснят тъмната материя, разумен скептик би се зачудил дали не са разбрали всичко погрешно. В продължение на много години малцинство физици подкрепят идеята, че може би нашите теории за гравитацията са просто неверни и че фундаменталната сила работи по различен от очаквания начин в по-големи мащаби. Често позната като „модифицирана нютонова динамика“ или модел на МоНД, тези предположения предполагат, че тъмна материя не съществува и свръхбързите скорости, при които се въртят звездите и галактиките едни около други е последствие просто от необичайно поведение на гравитацията. „Тъмната материя е все още непотвърден модел“, обяснява физикът Дон Линкълн. Въпреки това, противниците на тази теория тепърва трябва да убеждават широката общественост в идеите си. А последните доказателства? Те също сочат, че тъмната материя съществува.

 

Превод: Славина Иванова

Източник: Live Science


Европейска нощ на учените 2022 г.: