Долгожданная материя. Физики узнали, что может отвечать за скрытую массу Вселенной

Ученые определили, где нужно искать частицы, которые могут быть темной материей.

Коротко:

— что такое темная материя и где ее искать

— какие частицы потенциально могут быть темной материей

— почему некоторые ученые не верят в темную материю

дной из главных загадок для современных физиков является темная материя. Именно это гипотетическое вещество может помочь ученым определить до сих пор неизвестные характеристики Вселенной. Похоже, что группа ученых из Германии и США значительно приблизилась к его открытию.

В пределах Солнечной системы и наших соседних звезд наука чувствует себя более-менее комфортно. В таких масштабах мы можем с легкостью рассчитывать расстояния к другим планетам, скорость обращения разных объектов, температуру и даже относительно детально изучать их химический состав.

Но вот что касается внешних областей обозримой нам Вселенной — там творится какая-то чертовщина. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, чем дальше легкий объект расположен от тяжелого — тем меньше гравитационной силы на него действует и, соответственно, тем меньшей будет скорость его вращения.

Это правило отлично работает в пределах Солнечной системы: самая близкая планета к Солнцу — Меркурий — обращается вокруг него всего за 88 земных суток, а самая далекая — Нептун — почти за 165 лет.

Однако, с отдаленными от нас объектами, например, скоплениями галактик, все совершенно по-другому: астрономы обнаружили, что скорость обращения внешних объектов постоянно увеличивается, несмотря на то что расстояние между ними растет, ведь Вселенная, как известно, расширяется.

Несколько десятков лет назад физики списали этот просчет на темную материю — гипотетическое вещество, которое якобы формирует около четверти скрытой массы Вселенной и отвечает за высокую скорость обращения отдаленных объектов. По сей день мы лишь догадываемся, что может быть этой темной материей, поскольку такое вещество не участвует в электромагнитном взаимодействии и является практически невидимым для нас.

Недавно группа ученых из немецкого Института химической физики твёрдых тел общества Макса-Планка и нескольких университетов США и Китая опубликовала исследование, которое может значительно приблизить нас к разгадке тайны темной материи.

Фото: iStock

Что узнали ученые?


Физики сразу поняли, что искать темную материю во Вселенной, пытаясь засечь ее гравитационное воздействие на другие объекты с помощью телескопов — бессмысленно. Вместо этого ученые обратились к физическим экспериментам с высокими энергиями и конденсированным состоянием, во время которых некоторые материалы могут проявлять необычные свойства, похожие на свойства темной материи.

В качестве конденсируемой материи ученые использовали так называемый полуметалл — химический элемент, который находится на грани металлической и неметаллической группы.

Идеальным подопытным веществом оказался вейлевский полуметалл, который состоит из тантала, селена и йода. Дело в том, что электроны в этом полуметалле ведут себя так, как будто у них нет массы: они не взаимодействуют друг с другом и разделены на два типа, — левые и правые. Это химическое свойство называется хиральность, и оно позволяет молекулам вейлевского полуметалла не совпадать в пространстве со своим зеркальным отражением.

Проще говоря, в таких молекулах есть два типа электронов — левые и правые (как наши руки), и количество левых электронов всегда соответствует количеству правых электронов.

Охлаждая молекулы вейлевского полуметалла до минус 11 градусов Цельсия, ученые заставили необычные электроны взаимодействовать и конденсироваться в кристаллические версии самих себя. Оказалось, что частицы именно этих кристаллов проявляли те же свойства, которые должна проявлять гипотетическая темная материя — аксион.

Фото: Image courtesy of the researchers

Существование аксиона предположили около 40 лет назад, и, как истинная темная материя, аксион не взаимодействует с обычной, видимой нам материей. Ученые считали, что нахождение аксиона должно решить проблему симметрии зарядового сопряжения или сильную CP-проблему, — квантовое свойство, согласно которому законы физики действуют одинаково на конкретные частицы и их античастицы, даже если они разнесены в пространстве.

Популярные физические теории не предусматривают существование такой симметрии, и доказать ее может только открытие нового поля. Как раз аксион может обеспечить существование этого поля.

После получения кристаллов хиральных электронов вейлевского полуметалла физики заметили, что они состоят из квазичастиц — фононов, которые одновременно представляют из себя волны вибраций. Учитывая, что в мире квантовой механики волны также являются частицами, ученые определили, что существуют определенные фононы, которые имеют те же свойства, что и привычные нам электроны и фотоны.

В результате эксперимента ученые обнаружили такие фононы, которые реагируют на электрические и магнитные поля так же, как и предполагаемые аксионы. Это означает, что авторы исследования не только обнаружили, где можно искать аксионы, но и, возможно, открыли долгожданную темную материю, которая взаимодействует с видимым нам веществом.

Да, фонон лишь взаимодействует с аксионом, и ученые продолжат поиски темной материи в виде конкретных независимых частицы. Тем не менее, новое исследование в прямом и переносном смысле проливает свет на то, как можно обнаружить частицы без определенных свойств вроде массы и расширяет возможности поиска этих частиц для других ученых.

По словам лауреата Нобелевской премии Франка Вильчека, который предположил существование аксиона в 1977-м, эксперимент физиков из Германии, США и Китая подтвердил, что математические модели, которые описывают аксион, могут реализоваться в природе.

Не исключено, что в ближайшем будущем ученые обнаружат фундаментальные аксионы, которые и являются темной материей, формируя скрытую массу Вселенной.

Фото: livescience.com

Не аксионами едиными: претенденты на темную материю


Квазичастицы вроде фононов не являются единственными в своем роде, и ученые постоянно экспериментируют с конденсированием подобных веществ, предлагая все новые и новые способы поиска темной материи.

К примеру, несколько месяцев назад физики из Иллинойского и Гамбургского университетов получили изображение фермионов Майораны — квазичастиц, которые также одновременно являются своими античастицами.

Ученые обнаружили майорановские фермионы с помощью сверхпроводника из рения, — этот материал не имеет электрического сопротивления при температурах около шести градусов по Кельвину (-267 °C). К охлажденному сверхпроводнику добавили наночастицы из атомов магнитного железа, что и позволило засечь квазичастицы, которые итальянский физик Этторе Майорана описал почти сто лет назад,

Если ученые смогут поддерживать состояние фермионов Майораны в виде частиц и античастиц, — такое вещество можно будет использовать для хранения информации в квантовых компьютерах. Компьютерные микросхемы из кремния мы уже видели, а как вам процессор из потенциальной темной материи?

Более прозаичный ответ на вопрос о темной материи в начале 2019-го предложили ученые из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в Калифорнии и Университета Йоханнеса Гутенберга в Германии.

Физики решили масштабировать электромагнитное напряжение Максвелла-Прока, которое описывает негативное давление фотонов в определенных условиях, на гравитационную космическую модель. Оказалось, что описанные электромагнитные напряжения могут создавать дополнительную центростремительную силу, и действовать как еще одна гравитация.

Как ни странно, предложенная модель подходила для описания скрытой массы межзвездных газов и кратковременных звезд, которые созданы из газа и после смерти превращаются в газ. Необычное негативное давление фотона может оказывать прямое воздействие на такие объекты и отвечать за их необъяснимое движение.

Фото: NASA

Противоречия в этой теории возникают только тогда, когда речь идет о «старых» звездах вроде нашего Солнца. Согласно разработанной фотонной модели темной материи, за 4,6 млрд лет своего существования Солнце должно было иметь эллиптическую орбиту, хотя, как известно, наша звезда проходит вокруг центра Млечного пути по круговой орбите.

«Учитывая определенную массу фотона, намного меньшую, чем текущий верхний предел, мы можем показать, что этой массы будет достаточно для создания дополнительных сил в галактике, которые могут объяснить кривые вращения», — писали авторы исследования.

Другие физики из Калифорнийского университета предположили, что помочь отыскать темную может магнитный монополь — квантовая частица, которая имеет только один магнитный заряд. Ученые считают, что гипотетический темный магнитный монополь будет взаимодействовать с темными фотонами и электронами точно так же, как взаимодействуют обычные фотоны и электроны с обычным монополем в квантовой теории.

Согласно эффекту Ааронова — Бома, электрон, находящийся возле магнитного поля, поддается влиянию этого поля, даже не проходя через него. В случае с магнитным монополем, электрон может проходить по обе стороны от него и, соответственно, проявлять свойства частицы и античастицы одновременно.

На данный момент для подтверждения этой теории нет необходимого оборудования, поскольку теоретическое изменение фазы электрона из-за вероятного магнитного монополя будет почти незаметным.

Фото: NASA/CXC/M. Weiss

Противники темной материи


Очевидно, что сама по себе темная материя также является лишь одной из теорий, и есть те, кому эта теория не нравится.

В частности, представители университета Южной Дании опубликовали исследование, согласно которому дополнительный вес космических объектов формирует вовсе не темная материя, а иные законы гравитации, которые действуют глобальных масштабах.

Их теория предусматривает, что вокруг каждого плотного космического объекта, по типу нашего Солнца, существует невидимая сфера, после которой гравитационное воздействие значительно усиливается, и легкие объекты взаимодействуют с тяжелыми сильнее, несмотря на то что их масса остается прежней.

Парадоксально, но согласно такой модели внутри этой сферы эйнштейновская теория относительности работает, и гравитационное взаимодействие ослабляется с возрастанием расстояния между объектами.

По подсчетам физиков, размер предполагаемой гравитационной сферы пропорционален массе центрального объекта. То есть, если в галактике эта сфера будет иметь радиус в несколько тысяч световых лет (расстояние, на котором заметно действие темной материи), — соответствующая сфера вокруг нашего Солнца будет иметь радиус в 50 тыс. астрономических единиц.

Поскольку для действующих космических аппаратов это практически нереальные расстояния, мы пока не можем протестировать, меняется ли гравитационное воздействие Солнца, если мы оказываемся за пределами описанной датскими учеными сферы.

Фото: nanonewsnet.ru

Еще раньше британский астрофизик Джейми Фарнс выдвинул гипотезу о существовании субстанции с отрицательной массой, выполняющей функции не только темной материи, но и темной энергии, которые вместе, опять-таки предположительно, занимают 95% Вселенной.

В отличие от темной материи, которая отвечает за скрытую массу космических объектов, темная энергия может объяснить быстрое расширение Вселенной, — вероятно, именно она буквально отталкивает галактики между собой.

Фарнс считает, что всего этого не существует, а темная материя и энергия объединены в некую «темную жидкость» с отрицательной массой. Это вещество якобы постоянно производится естественным образом со времен Большого взрыва. Предложенная темная жидкость должна появляться даже в пустом пространстве и влиять на всю окружающую материю.

Именно поэтому, как считает Джейми Фарнс, галактики отталкиваются друг от друга и создают дополнительное пространство для появления еще большего количества темной жидкости. В то же время физик не объясняет, почему звезды не отдаляются друг от друга по мере своего вращения, и, самое главное, почему вдруг в пустом пространстве должны появиться частицы с отрицательной массой.

Видимо, темная материя, кем бы или чем бы она не была, пока планирует оставаться в тени.

Теги: Темная материя Космос Физика

Новости по теме

Совсем скоро: Sony случайно объявила дату презентации PlayStation 5.

Приставку PlayStation 5 покажут в рамках мероприятия PlayStation Meeting 2020 в начале февраля

1

Танцующий дракон. В Китае обнаружили переходный вид между динозаврами и птицами

Палеонтологи нашли в Китае скелет небольшого пернатого динозавра неизвестного вида из семейства дромеозаврид — хищных пернатых динозавров.

1

Почку продавать не нужно. Как iPhone 9 изменит рынок смартфонов

Apple хочет снова поменять правила игры на рынке смартфонов

3

Прогнулись под ФБР. Apple не разрешит пользователям шифровать резервные копии данных

Apple отказалась от планов разрешить пользователям iPhone полностью шифровать резервные копии своих устройств в сервисе iCloud.

4

Удар по Google. Операционная система Harmony OS от Huawei будет использоваться в смартфонах

На Давосском форуме основатель Huawei Рен Чжэнфэй заявил, что система HarmonyOS в настоящее время уже работает на некоторых устройствах и активно развивается.

3

Продолжая просматривать Новости Украины (UAZMI), вы подтверждаете, что ознакомились с Правилами пользования сайтом, и соглашаетесь на использование файлов cookie