Някога ще бъде ли намерена във Вселената тъмна материя?

Космологията постигна невероятни успехи. През последните няколко десетилетия космолозите извършиха измервания, наблюдения и експерименти, които позволиха да се реконструира миналото на Вселената с невероятни детайли. Вече може да се каже с голяма увереност, че е ясно как и защо Вселената се е развила през по-голямата част от своята история. От тази гледна точка Вселената изглежда по-разбираема от всякога.

И все пак не всичко е ясно и се разбира. Въпреки значителните усилия, съществуват основни аспекти на Вселената, които учените не знаят как да обяснят. Може би най-известната от тези мистерии е тази за тъмната материя. Съвременните измервания определят количеството материя в нашата Вселена с много висока степен на точност и тя е много повече, отколкото съществува под формата на атоми. След десетилетия на дебати, сега учените са уверени, че повечето – около 84 процента – от материята на Вселената не се състои от атоми или други известни частици, а от нещо друго, което не излъчва, не отразява нито абсорбира светлина. Поради липсата на по-добро име наричат тази загадъчна материя тъмна. Но да се наименува нещо не означава, че то се разбира.

Преди десетилетие много космолози смятаха, че имат доста добра представа за това, от което тъмната материя вероятно се състои. Аргументите се основават на начина по който това вещество се е формирало през първите части от секундата след Големия взрив. Изчисленото количество частици от тъмна материя, произведено в ранната Вселена, което след това оцелява в условията на Големия взрив, трябва да зависи от това, доколко тези частици взаимодействат както със себе си, така и с обикновените форми на материята. На базата на изчисления се стига до извода, че тъмната материя би трябвало да взаимодейства с това, което е известно като слабата ядрена сила или чрез някаква друга неизвестна сила, която е приблизително толкова мощна. Учените наричат тези частици WIMP – слабо взаимодействащи масивни частици – и те бяха най-доброто предположение за идентичността на тъмната материя.

Ако тъмната материя наистина се състои от WIMP, тогава трябва да е възможно да се провеждат експерименти, които биха могли директно да открият и измерят отделни частици от това вещество. Имайки предвид тази цел, малка армия от физици започва да изгражда ултрачувствителни детектори за тъмна материя, разполагайки ги в дълбоки подземни лаборатории, където да бъдат защитени от най-разсейващите видове космическа радиация. По онова време шансовете изглеждат като доста добри и учените очакват този подход да успее. Всъщност дори обявяват през 2005 г., че частиците от тъмна материя ще бъдат открити в рамките на десетилетие. Това не се случи. От технологична гледна точка тези експерименти минават прекрасно. И все пак не се появяват никакви сигнали. Големият Адронен колайдер също започна своето действие по това време, но не намери следи от тъмна материя. От тези експерименти стана ясно, че тъмната материя е далеч по-неуловима, отколкото някога някой си е представял.

Този неуспех да бъдат открити частици от тъмна материя имаше осезаем ефект върху научната общност. Въпреки че откритието може да се крие точно зад ъгъла, повечето от изучаващите тъмна материя днес признават, че този подход може и да не е верен. Това подтиква част от учените да пренасочат усилията си към нови, а понякога и много по-различни идеи свързани с тъмната материя и нейната природа.

Една от новите популярни идеи е, че тъмната материя може да не е сама, а вместо това да бъде един от няколко вида частици, които съставляват това, което е известно като „скрит сектор“. Частиците, които съставят такъв скрит сектор, могат да взаимодействат помежду си , но почти никога с някоя от известните форми на материя, обяснявайки защо те са били толкова трудни за откриване при правените експерименти или чрез Големия адронен колайдер.

Частиците, които изграждат скрит сектор, биха могли да се развият и взаимодействат в ранната Вселена по произволен брой потенциално сложни начини, дори да изпитват сили, на които никога не сме били свидетели. Физиците изучаващи частиците са предложили много теории, в които взаимодействията между множество видове скрита материя могат да доведат до жизнеспособното производство на тъмна материя в ранната Вселена.

Друга възможност има по-малко общо със самата тъмна материя и повече с пространството, което заема през първите части от секундата след Големия взрив. Когато се използват уравненията на общата относителност, за да се изчисли колко бързо трябва да се разшири пространството, се вземат предвид всички известни форми на материя и енергия, включително всички видове частици, които се наблюдават при Големия адронен колайдер. Но е напълно правдоподобно, че в ранната Вселена са присъствали и други форми на материя, за които все още не се знае нищо. Ако това е така, тогава Вселената може да се е разширила доста по-различно от това, което се предполага днес. И ако ранната Вселена се разширява по-бързо или по-бавно, отколкото очакваме, това ще промени начина, по който частиците от тъмната материя си взаимодействат, както и каква част от това вещество би преживяло тези критични моменти.

Възможностите за това как Вселената може да се разшири и развие през първата си секунда са огромни. Неизвестните форми на материя и енергия може да са увеличили скоростта на разширяване, но е възможно и през тези първи моменти да са се случвали много по-странни неща. Може би Вселената е преживяла кратък и внезапен изблик на експанзия или е претърпяла драматичен фазов преход в някакъв момент през първата си секунда. Като алтернатива може да е имало популация от частици, които се разлагат, като загряват Вселената и променят нейната еволюция. Възможностите изобилстват. Такива събития биха могли драматично да повлияят на начина, по който тъмната материя се е образувала и взаимодействала през първите моменти на Вселената. Ако един ден се разбере, че подобно събитие наистина се е състояло, това почти сигурно ще промени очакванията за природата на тъмната материя и видовете експерименти, които би трябвало да се проведат, за да бъде тя открита. Това дори може да обясни защо тъмната материя остава толкова неуловима толкова дълго.