Какво все пак е тъмна материя?

Физиците теоретично откриват съществуването на тъмна материя през 1933 г. Това става отчасти защото уравненията показват, че в галактиките няма достатъчно наблюдавана материя, която да ги предпази от разпадане, а скоростите на въртене на галактиките не отговарят на очакваните резултати от стандартните физични модели.

По-нататъшни открития свързани с тъмна материя се появяват чак през седемдесетте години на миналия век, когато учените вече разполагат с по-добри научни инструменти, от приемници до космически телескопи за откриване на гама радиация, които им позволяват да потвърдят по-ранните изчисления и наблюдения.

Мощни радиотелескопи също предлагат улики за съществуването на тъмна материя, като гравитационно пречупване (при което материята причинява светлината да се огъва между източника и наблюдателя) и силно предполага, че има някаква материя, която можем да открием, но не виждаме.

„Всичко, което можете да видите, всичко което чувствате, всичко от което сте съставени, представлява само 5% от вселената, а останалото е това тъмно нещо … и ние нямаме представа какво е то“, казва Ребека Лийн, физик-теоретик в Масачузетския технологичен институт MIT. Докторатът на Лийн е върху феноменологията тъмна материя.

Физиците смятат, че около 27% от общата вселена е тъмна материя, а останалите (68%) са подобен сенчест феномен, наречен тъмна енергия. Какво прави тъмната материя толкова тайнствена?

„Големият проблем е, че не можем да я видим; не взаимодейства със светлината ”, казва Итън Браун, асистент по физика в политехническия институт Rensselaer.

Най-общо, можем да измерваме материята и енергията във Вселената, като я наблюдаваме в едно от четирите взаимодействия:

• Електромагнитно излъчване (светлина)

• Чрез гравитационни ефекти

• С друга материя чрез ядрената сила, която държи материята заедно

• Със слабата ядрена сила или взаимодействието на субатомните частици, които са отговорни за радиоактивното разпадане

Тъмната материя се измъква от повечето от тези наблюдения, тъй като не изглежда да взаимодейства със стандартната материя, освен чрез гравитацията. Но това не е попречило на физиците да анализират и други методи.

Една от областите на изследване на Браун е опит да улови взаимодействията на тъмната материя с нормалната материя под формата на течни изотопи на ксенон. Ксенон-124 има полуживот приблизително трилион пъти по-дълъг от възрастта на Вселената. Масивните варели с материала са дълбоко в сондажи в земната кора, за да се ограничи фоновия шум, като електромагнитно излъчване, което може да попречи на измерванията. Само тъмната материя и някои субатомни частици като муоните и неутрино могат да преминат през хиляди метри плътна скала.

Така че това е една много „тиха“ ниша, където теоретично само изключително бавното естествено радиоактивно разпадане на ксенон-124 или взаимодействията с муони, неутрино или тъмна материя могат да предизвикат някаква промяна в изотопа. Ако субатомна частица от тъмна материя избие електрон от Ксенон-124, експериментът ще го види.

Макар учените занимаващи се с тъмната материя да не са открили действително директни взаимодействия с неуловими субатомни частици, те със сигурност са направили някои други интересни наблюдения, включително разпадането на ксенон-124, най-рядкото събитие, което някога е било регистрирано в човешката история.

Знаем повече за това какво не е тъмната материя, отколкото за това какво е. Като начало не е тъмна енергия. Това е някаква енергия, за която доказателствата са косвени, но вероятно съществуват, защото Вселената се разширява с нарастваща скорост, която се противопоставя на законите на физиката на нормалната материя и енергия.

И тъмната материя не е антиматерия, която е нормална материя, съставена от субатомни частици, които имат точно противоположен заряд в сравнение с нормалната материя. Когато антиматерията и материята се сблъскат, унищожаването произвежда изблици на гама лъчи. Тъмната материя може също да произвежда гама лъчи, когато тя и нейният аналог, тъмната антиматерия, се сблъскат, за да произведат стандартна материя.

И накрая, тъмната материя не е просто различен клас от трите семейства на обикновена материя, като адроните, лептоните или бозоните, като последните две преди са били теоретични, но най-накрая са наблюдавани директно в ускорителите на частици и не се държат така, както учените очакваха.

Лептони и бозони обаче, ни подсказват какво да търсим. Тъмната материя изглежда като форма на материя, съставена от напълно различен клас или класове субатомни частици. Едно от най-обещаващите се нарича WIMP: weakly interacting massive particle, или слабо взаимодействаща масивна частица.

Смята се, че WIMP имат маса, която е хиляда пъти повече от протоните на стандартната материя. Начинът, по който WIMP теоретично работят, се вписва с изчисленията за това колко тъмна материя трябва да има във Вселената, казва Лийн. Това се нарича WIMP Miracle.

Но WIMP далеч не са единствената теория участваща в играта. Има и първични черни дупки, които по същество са малки черни дупки, останали от Големия взрив. Въпреки това, ние не сме наблюдавали гравитационното микролъчение от тях, така че това изключва първичните черни дупки, като възможна тъмна материя.

„След това има теоретично определени частици като SIMP и аксиони. Сега има повече теории, отколкото някога ще разбера“, признава Браун.

Естествено, може да бъде доста досадно да правите изследвания, когато всъщност не можете да наблюдавате нещо, което мислите, че съществува, или пък не винаги е там. Изследователи от Йейл например са открили две галактики, които нямат никаква тъмна материя.

„Трудно е да се посочи само едно решение за това как тези форми са можели да се образуват,“ казва Шани Даниели, докторант от Yale, който е съавтор на две от проучванията. „В началото си мислехме, че може би това е просто някаква аномалия, но сега намерихме втора галактика без тъмна материя“.

Изследването сочи някои интересни възможности за това, как функционира тъмната материя във вселената. Тъмна материя взаимодейства с нормалната материя чрез механизъм, който все още не знаем – така наречената „тъмна сила“, или петата сила във Вселената.

Друга идея е, че тъмна материя взаимодейства чрез повече от известните сили, отколкото само гравитацията, но прави това при такава малка сила на взаимодействие, че ние просто нямаме средства, за да откриваме надеждно сигналите.

С други думи, науката е далеч от убедителна

„Работата на физиката на частиците през последните 50 години е била да раздроби вселената до най-малките й компоненти“, казва Браун.

Точно сега тъмната материя не отговаря на определени разбирания за това как работи Вселената, по-специално стандартния модел на физиката на частиците.

„Когато разберем какво е тъмна материя и как се държи, това би било огромна стъпка към разбиране на фундаменталните основи на Вселената“, казва Браун. „Можем да отговорим на въпроси, как се е развила Вселената за да стигне до това, което е днес?“

Освен това, физиката на основните частици, включително търсенето на тъмна материя, вече е довела до реални технологични ползи. Много от средствата за откриване, използвани в тази област, са силно приложими в други области, като например медицински изображения или ядрена сигурност.

Лийн посочва, че интернет е създаден отчасти защото физиците на CERN искали да намерят нови начини за обмен на данни помежду си. GPS междувременно разчита в известна степен на теорията на Айнщайн за общата относителност, която обяснява как гравитацията изкривява пространство – време“.

Не можем да знаем какво може да излезе от изследване на тъмната материя, но ако вземем аналог от изучаването на конвенционалната материя, трябва да очакваме много, защото изучаването на материята ни дава най-фундаменталната технология, която позволява да правим практически всичко в съвременния живот. Без откриването на електрона през 1897 г.от J.J. Thomson, нямаше да имаме дори електричество, да не говорим за компютри и интернет, задвижвани от него.

Едно е ясно, макар днес все още да не знаем много за тъмната материя, тя може много да промени начина, по който ще живеем утре.