CC BY
224
Секция «Концепции современного естествознания»
УДК 53.01
ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ И ЕЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ
Е. А. Усачева, Н. О. Берненко Научный руководитель - М. С. Эльберг
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Около 90 % массы Вселенной состоит из некоторой неизвестной субстанции, не испускающей и не поглощающей электромагнитные волны. По этой причине субстанция получила название «темная материя».
Еще более удивительным результатом наблюдательной космологии стало указание на существование совершенно новой формы материи - «темной энергии».
Каковы перспективы изучения детектирования темной материи и темной энергии в земных условиях.
Ключевые слова: темная материя, темная энергия, детектирование темной материи.
DARK MATTER AND ITS DETECTION
E. A. Usacheva, N. O. Bernenko Scientific supervisor - M. S. Elberg
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
About 90 % of the mass of the Universe consists of some unknown substance, emitting and absorbing electromagnetic waves. For this reason, the substance called "darkmatter".
Even more surprising the result of observational cosmology has become a indication of the existence of a completely new form of matter - "dark energy".
What are the prospects of detecting dark matter and dark energy in a terrestrial environment.
Keywords: dark matter, dark energy, the detection of dark matter.
Один из наиболее загадочных результатов космологических наблюдений последнего времени состоит в том, что около 90 % массы Вселенной состоит не из барионов и электронов, а из некоторой неизвестной субстанции, не испускающей и не поглощающей электромагнитные волны. По этой причине субстанция получила название «темная материя» [2].
На сегодняшний день имеется много астрономических данных, причем весьма разнообразных, которые однозначно свидетельствуют о существовании в гораздо большем количестве двух субстанций: темной материи и темной энергии. Есть некоторые попытки обойтись без введения в теорию этих субстанций, например, без темной материи, но такие теории совершенно не работоспособны, потому что не объясняют все те явления, которые можно наблюдать на небе. А сейчас видят очень много и в ближайшее время увидят еще больше, потому что продолжают строиться новые устройства - это и счетчики космического излучения, и поиск гравитационных волн, нейтринные телескопы и т. д., в том числе и обычные телескопы совершенно фантастической чувствительности [1].
Проблема темной материи (т. е. доказательство ее существования) состоит из двух проблем:
- астрофизической, то есть противоречия наблюдаемой массы гравитационно-связанных объектов и их систем с их наблюдаемыми параметрами, определяемыми гравитационными эффектами;
- космологической - противоречия наблюдаемых космологических параметров полученной по астрофизическим данным средней плотности Вселенной [2].
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 2
Еще до войны (в 30-е годы прошлого века) Ян Оорт, и, главным образом, Фриц Цвикке обратили внимание, что скорости звезд в галактике, а также галактик в скоплениях слишком велики, чтобы их можно было объяснить, исходя из наблюдаемых суммарных масс вещества [1].
По расчетам Ф. Цвикке получилось, что этой ненаблюдаемой материи должно быть в несколько раз больше, чем видимой. Но об этом благополучно забыли, интерес к проблеме оживился в 1964 году после работ принстонской группы во главе с Джимом Пиблсом и эстонской группы астрономов: Яана Эйнасто, Антса Каасика и Энна Саара [1].
Пока что о формах темной материи можно говорить гипотетически. Ее делят на два класса: по-английски первый называют MACHO (Massive Astrophysics Compact Halo Objects) - по-видимому, это неизвестные стабильные массивные объекты астрофизического масштаба. Это могут быть и остывшие звезды, которые принято называть коричневыми карликами, и планеты, «дрейфующие» в межзвездном пространстве без связи с каким-то определенным светилом, и «черные дыры». Скорее всего, это объекты, состоящие из обычного вещества, но почти не излучающие свет, поэтому их можно обнаружить только по гравитации [1].
Другой вид темной материи называют WIMP (Weakly Interactive Massive Particles, слабовзаи-модействующие массивные частицы). Масса этих частиц теоретически может достигать 1016 массы протона, но есть гипотеза, что они могут быть значительно легче электрона [1].
Темную материю видят пока только по ее гравитационному взаимодействию, никаких других «твердых» проявлений нет. Некоторые исследователи говорят, что при взаимоуничтожении, аннигиляции этих частиц может дать некое электромагнитное излучение. Есть указание на его наблюдение, но пока достоверного вывода сделать нельзя.
Есть другой способ классификации темной материи - на горячую, холодную и теплую.
На сегодняшний день «горячая» гипотеза практически исключена, потому предсказываемая ею структура космических объектов противоречит астрономическим наблюдениям.
Холодные частицы темной материи, напротив, хорошо описывают наблюдаемую крупномасштабную структуру - галактики, их скопления, но пока что предсказания этой теории в деталях несколько расходятся наблюдениями.
Возможно, существует «теплая» темная материя, в ней эти недостатки исчезают. Масса частиц такой материи примерно в 100 раз меньше массы электрона. Сейчас это очень популярная схема, и тем более, есть указание, что такие частицы существуют [1].
Еще есть так называемый аксион - это частица очень легкая, в миллиард раз легче электрона, но она холодная, потому что никогда не была «горячей» в отличие от нейтрино. Теория предсказывает эту частицу, она, как один из вариантов, позволяет решить некоторые проблемы физики элементарных частиц, потому ее называют естественным кандидатом на роль темной материи [1].
Сейчас публикуются работы, где предполагается, что темная энергия как-то взаимодействует с темной материей, тогда, может быть, она будет неоднородно распределена, и тогда можно будет наблюдать ее астрономические проявления. Кроме того, за счет возможного взаимодействия с темной материей появляются шансы прямой регистрации темной энергии.
Если темная энергия - это вакуумная энергия, которая ни с чем не взаимодействует, никак не проявляется, а только расталкивает Вселенную, то тут перспектив особых нет.
В этом смысле гораздо интереснее модифицированная гравитации, которая имеет очень четкие и очень яркие предсказания.
Сейчас ищут проявления темной материи внутри звезд, в том числе внутри Солнца, про которое мы очень много знаем благодаря гелиевой сейсмологии - наблюдаются колебания поверхности Солнца, то есть солнцетрясения, по их характеристикам изучается внутреннее строение светила.
Точность наблюдений растет, и, быть может, в конце концов, могут быть обнаружены некоторые аномалии, свидетельствующие, что в Солнце есть необычный источник энергии за счет аннигиляции частиц темной материи.
Библиографические ссылки
1. Интерфакс [Электронный ресурс]. URL: http://www.interfax-russia.ru/ (дата обращения: 10.04.2015).
2. ModCos [Электронный ресурс]. URL: http://www.modcos.com/ (дата обращения: 10.04.2015).
© Усачева Е. А., Берненко Н. О., 2015
