Вселенная состоит всего на 4,9% из обычного вещества - барионной материи, из которой состоит наш мир. Большая часть 74% всей Вселенной приходится на загадочную тёмную энергию, а 26,8% массы во Вселенной приходится на неподвластные физическим законам, трудно обнаруживаемые частицы, названные тёмной материей.

Эта странная и необычная концепция тёмной материи была предложена в попытке пояснения необъяснимых астрономических явлений. Так о существовании некой мощной энергии, настолько плотной и массивной - её в пять раз больше, чем обычного вещества материи, из которой состоит наш мир, состоим мы, учёные заговорили после обнаружения непонятных явлений в гравитации звезд и формирования Вселенной.

Откуда появилась концепция тёмной материи?

Так, звёзды в спиральных галактиках, подобных нашей, имеют довольно высокую скорость обращения и по всем законам при таком быстром движении должны бы просто вылетать в межгалактическое пространство, как апельсины из опрокинувшейся корзины, но они не делают это. Их удерживает некая сильнейшая гравитационная сила, которая не регистрируется и не улавливается никакими нашими способами.

Еще интересное подтверждение о существовании некой темной материи учёные получили из исследований космического микроволнового фона. Они показали, что после Большого взрыва материя в самом начале была однородна распространена в пространстве, но в некоторых местах её плотность была несколько выше, чем в среднем. Эти области обладали более сильной гравитацией, в отличие от тех, которые их окружали, и при этом, притягивая к себе материю, они становились ещё плотней и массивней. Весь этот процесс должен был быть слишком медленным, чтобы за всего 13,8 млрд лет, (а это возраст Вселенной), сформировать крупные галактики, в том числе наш Млечный путь.

Таким образом, остается предположить, что ускоряет темп развития галактик, наличие достаточного для этого количества темной материи с её дополнительной гравитацией, значительно ускоряющей этот процесс.

Какая она - тёмная материя?

Одна из центральных идей, что чёрная материя состоит из ещё не открытых субатомных частиц. Что это за частицы и кто претендует на эту роль, кандидатов много.

Предполагается, что у фундаментальных элементарных частиц из семейства фермионов имеются суперсимметричные партнеры из другого семейства - бозонов. Такие слабовзаимодействующие массивные частицы имеют название WIMP (или просто вимпы). Самый легкий и при этом стабильный суперпартнер - нейтралино. Вот он, то и является наиболее вероятным кандидатом на роль веществ темной материи.

На данный момент попытки получить нейтралино или хотя бы схожую или вовсе другую частицу тёмной материи к успеху не привели. Пробы получения нейтралино предпринимались на сверхвысокоэнергичных столкновениях на получившем известность и разную оценку Большом адронном коллайдере. В будущем эксперименты будут проводиться с ещё большими энергиями столкновений, но и это не гарантирует, что будет обнаружены хоть какие-то модели тёмной материи.

Как говорит Мэттью Маккалоу (из Центра теоретической физики Массачусетского технологического института) - "Наш обычный мир устроен сложно, он не построен из однотипных частиц, а если тёмная материя тоже сложная?". По его теории, гипотетически тёмная материя может взаимодействовать сама с собой, но при этом игнорировать обычную материю. Именно поэтому мы и не можем заметить и как-то зарегистрировать её присутствие.

(Карта космического микроволнового фонового излучения (CMB), сделанному Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) )

Наша галактика Млечный путь состоит из огромных масштабов сферического вращающегося облака тёмной материи, в нём подмешано небольшое количество обычной материи, которая сжимается под действием гравитации. Быстрее это происходит между полюсами, не так, как в области экватора. Как результат, наша галактика приобретает вид сплющенного спирального диска из звёзд и погружается в сфероидальное облако тёмной материи.

Теории существования тёмной материи

Для объяснения природы недостающей массы во Вселенной выдвигались различные теории, так или иначе, говорящие о существовании тёмной материи. Вот некоторые из них:

• Гравитационное притяжение обычной регистрируемой материи во Вселенной не может объяснить странное движение звезд в галактиках, там где во внешних областях спиральных галактик звёзды обращаются настолько быстро, что должны были бы просто вылететь в межзвездное пространство. Что же их удерживает, если это невозможно зафиксировать.
• Существующая тёмная материя превосходит обычную материю Вселенной в 5,5 раз и только её дополнительная гравитация может объяснить нехарактерные движения звезд в спиральных галактиках.
• Возможные частицы тёмной материи вимпы (WIMP), они слабовзаимодействющие массивные частицы при этом сверрхтяжёлые суперсимметричные партнеры субатомных частиц. В теории существует свыше трёх пространственных измерений, недоступных для нас. Сложность в том, так как же их зарегистрировать, когда дополнительные измерения по теории Калуцы - Клейна оказываются для нас недоступными.

Возможно, ли зарегистрировать тёмную материю?

Сквозь Землю пролетают огромные количества частиц тёмной материи, но так как тёмная материя не взаимодействует, а если и есть взаимодействие то крайне слабое, практически нулевое, с обычной материей, то в большинстве экспериментов значительных результатов получено не было.

Тем не менее попытки зарегистрировать присутствие темной материи пробуются в экспериментах столкновения различных атомных ядер (кремния, ксенона, фтора, иода и других) в надежде увидеть отдачу от частицы тёмной материи.

В нейтринной астрономической обсерватории на станции Амундсена - Скотта с интересным названием IceCube проводятся исследования по обнаружению высокоэнергетичных нейтрино, рожденных за пределами Солнечной системы.

Здесь на Южном полюсе, где температура за бортом до -80 °C, на глубине 2,4 км подо льдом установлена высокоточная электроника, обеспечивающая непрерывный процесс наблюдения за загадочными процессами Вселенной, происходящими за гранью обычной материи. Пока это только попытки приблизится к отгадке глубочайших тайн Вселенной, но некоторые успехи уже есть, такие, как историческое открытие 28 нейтрино.

Итак. Невероятно интересно что, Вселенная, состоящая из тёмной материи, недоступной для видимого изучения нами, может оказаться во много раз сложнее устройства нашей Вселенной. А быть может, Вселенная из тёмной материи значительно превосходит нашу и именно там происходят все важные дела, отголоски которых мы пытаемся видеть в нашей обыкновенной материи, но это уже переходит в область научной фантастики.

3 604

Большая часть Вселенной состоит из “материи”, которую нельзя увидеть, возможно, нематериальной, и взаимодействует с другими вещами только через силу гравитации. Ах, да, и физики не знают, что это за материя или почему ее так много во Вселенной - около четырех пятых своей массы.

Ученые называют ее темной материей.

Так где же этот таинственная материя, которая составляет такой огромный кусок нашей Вселенной, и когда ученые обнаружат ее?

Откуда мы знаем, что эта материя существует

Гипотезу темной материи впервые выдвинул швейцарский астроном Фриц Цвикки в 1930-х годах, когда понял, что его измерения масс скоплений галактик показали некоторую часть массы во Вселенной “пропавшую без вести”. Что бы ни делало галактики тяжелее, оно не испускает никакого света, ни взаимодействует ни с чем другим, кроме как через гравитацию.

Астроном Вера Рубин, в 1970-х годах, обнаружила, что вращение галактик не следует Закону движения Ньютона; звезды в галактиках (в частности Андромеда), казалось, вращаются вокруг центра с одинаковой скоростью, но те что дальше от звезды движутся медленнее. Словно что-то добавляет массу к внешней части галактики, что никто не мог видеть.

Остальные доказательства пришли из гравитационного линзирования, которое происходит, когда тяжесть крупного объекта изгибает световые волны вокруг объекта. Согласно общей теории относительности , гравитация искривляет пространство (как борец сумо может деформировать мат, на котором он стоит), так что световые лучи огибают крупные объекты, хотя свет сам по себе является безмассовым. Наблюдения показали, что там не было достаточно видимой массы, чтобы согнуть свет, как это было огибая отдельные скопления галактик - другими словами, галактики были более массивными, чем они должны быть.

Тогда есть реликтовое излучение (СМВ), “эхо” Большого взрыва и сверхновых звезд. “СМВ говорит о том, что Вселенная пространственно плоская,” – сказал Джейсон Кумар, профессор физики в университете Гавайи. “Пространственно плоская” означает, что если провести две линии через вселенную, они никогда не пересекутся, даже если эти линии были на расстоянии миллиардов световых лет в поперечнике. В круто изогнутой Вселенной, эти линии будут встречаться в какой-то точке пространства.

Сейчас идет небольшой спор среди космологов и астрономов, существует ли темная материя. Она не влияет на свет, и она не заряжена, как электроны или протоны. До сих пор она ускользает от прямого обнаружения.

“Это тайна”, – сказал Кумар. Может есть способы, которыми ученые пытались “увидеть” темную материю – либо через её взаимодействие с обычным веществами, либо через поиск частиц, которыми могла бы стать темная материя.

Чем темная материя не является

Много теорий пришли и ушли относительно того, какова темная материя. Одна из первых была достаточно логичныой: вопрос был скрыт в массивных астрофизических компактных объектах гало (MACHO), таких как нейтронные звезды, черные дыры, коричневые карлики и планеты-изгои. Они не излучают свет (или они выделяют его очень мало), поэтому они практически невидимы для телескопов.

Тем не менее, исследования галактик в поисках небольших искажений в свете звезд, производимых MACHO, проходя мимо – называемые микролинзированием – не могли бы объяснить количества темной материи вокруг галактик, или даже значительной ее части. “MACHO, кажутся столь же исключенными как всегда” – сказал Дэн Хупер, ассоциированный научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории Ферми в штате Иллинойс.

Темная материя не представляется облаком газа, которое в телескопы не увидеть. Диффузный газ будет поглощать свет от галактик, которые находятся дальше, и на вершине, что обычный газ будет переизлучать излучения на больших длинах волн – будет громадное излучение инфракрасного света в небе. Поскольку это не происходит, мы можем это исключить.

Чем это может быть

Слабо взаимодействующие массивные частицы (вимпы), являются одними из самых сильных соперников для объяснения темной материи. Вимпы - тяжелые частицы - примерно от 10 до 100 раз тяжелее протона, которые были созданы во время Большого взрыва, и остались в небольших количествах сегодня. Эти частицы взаимодействуют с нормальной материей через гравитацию и слабые ядерные силы. Более массивные вимпы будут двигаться медленнее сквозь пространство, и поэтому могут быть кандидатами “холодной” темной материи, в то время как более легкие будут двигаться быстрее, и быть кандидатами “теплой” темной материи.

Один из способов найти их – путем “прямого обнаружения”, как, например, эксперимент Large Underground Xenon (LUX), который является контейнером жидкого ксенона в шахте Южной Дакоты.

Другой способ увидеть вимпы может быть ускорителем частиц. Внутри ускорителей атомные ядра разбиваются со скоростью близкой к скорости света, и в процессе эта энергия столкновения превращается в другие частицы, некоторые из них оказываются новыми для науки. Пока в ускорителях частиц не обнаружено ничего, что выглядит как предполагаемая темная материя.

Другая возможность: аксионы. Эти субатомные частицы могли быть обнаружены косвенно видами излучения, которое они испускают, как они уничтожают или как они затухают в другие виды частиц или появляются в ускорителях частиц. Однако, никакого прямого доказательства аксионов, также нет.

Начиная с обнаружения тяжелых, медленных “холодных” частиц, как вимпы или аксионы, еще не привело к результатам, некоторые ученые смотрят на возможность легких, быстрее движущихся частиц, которые они вызывают “теплой” темной материей. Был возобновившийся интерес к такой модели темной материи после того, как ученые нашли доказательство неизвестной частицы, используя Обсерваторию Рентгеновского луча Чандра, в кластере Персея, группе галактик приблизительно 250 миллионов световых лет от Земли. Известные ионы в этом кластере производят определенные линии излучения рентгеновских лучей, а в 2014 году, ученые увидели новую “линию”, которая может соответствовать неизвестной легкой частице.

Если частицы темной материи легкие, ученным предстоит трудное время, чтобы обнаружить их непосредственно, сказала Трейси Слатер, физик из Массачусетского технологического института. Она предложила новые виды частиц, которые могут составлять темную материю.

“Темную материю с массой ниже приблизительно 1 ГэВ действительно трудно обнаружить со стандартными прямыми экспериментами обнаружения, потому что они работают, ища необъясненные отдачи атомарных ядер …, но когда темная материя намного легче, чем атомарное ядро, энергия отдачи очень маленькая”, – сказала Трейси Слатер.

В поисках темной материи было сделано много исследований, и если нынешние методы не помогают, будут проводится новые. Используя “жидкий” жидкий гелий, полупроводники и даже разрыв химических связей в кристаллах – являются одними из новых идей по обнаружению темной материи.

Теоретическая конструкция в физике, называемая Стандартной моделью, описывает взаимодействия всех известных науке элементарных частиц. Но это всего 5% существующего во Вселенной вещества, остальные же 95% имеют совершенно неизвестную природу. Что представляет из себя эта гипотетическая темная материя и как ученые пытаются ее обнаружить? Об этом в рамках спецпроекта рассказывает Айк Акопян, студент МФТИ и сотрудник кафедры физики и астрофизики.

Стандартная модель элементарных частиц, окончательно подтвержденная после обнаружения бозона Хиггса, описывает фундаментальные взаимодействия (электрослабое и сильное) известных нам обычных частиц: лептонов, кварков и переносчиков взаимодействия (бозонов и глюонов). Однако оказывается, что вся эта огромная сложная теория описывает лишь около 5–6% всей материи, тогда как остальная часть в эту модель никак не вписывается. Наблюдения самых ранних моментов жизни нашей Вселенной показывают нам, что примерно 95% материи, которая окружает нас, имеет совершенно неизвестную природу. Иными словами, мы косвенно видим присутствие этой скрытой материи из-за ее гравитационного влияния, однако напрямую поймать ее пока не удавалось. Это явление скрытой массы получило кодовое название «темная материя».

Современная наука, особенно космология, работает по дедуктивному методу Шерлока Холмса

Сейчас основным кандидатом из группы WISP является аксион, возникающий в теории сильного взаимодействия и имеющий очень малую массу. Такая частица способна в больших магнитных полях превращаться в фотон-фотонную пару, что дает намеки на то, как можно попробовать ее обнаружить. В эксперименте ADMX используют большие камеры, где создается магнитное поле в 80000 гаусс (это в 100000 раз больше магнитного поля Земли). Такое поле в теории должно стимулировать распад аксиона на фотон-фотонную пару, которую и должны поймать детекторы. Несмотря на многочисленные попытки, пока обнаружить WIMP, аксионы или стерильные нейтрино не удалось.

Таким образом, мы пропутешествовали через огромное количество различных гипотез, стремящихся объяснить странное наличие скрытой массы, и, откинув с помощью наблюдений все невозможное, пришли к нескольким возможным гипотезам, с которыми уже можно работать.

Отрицательный результат в науке - это тоже результат, так как он дает ограничение на различные параметры частиц, например отсеивает диапазон возможных масс. Из года в год все новые и новые наблюдения и эксперименты в ускорителях дают новые, более строгие ограничения на массу и другие параметры частиц темной материи. Таким образом, выкидывая все невозможные варианты и сужая круг поисков, мы день ото дня становимся все ближе к понимаю, из чего же все-таки состоит 95% материи в нашей Вселенной.

«Мы можем находиться на пороге научной революции, которая радикально изменит наши представления о пространстве, времени и гравитации», — говорит физик Эрик Верлинде (Erik Verlinde).

Общая теория относительности Эйнштейна не может применяться в микроскопическом масштабе и, видимо, не может дать объяснения таким явлениям как черная дыра и Большой взрыв.

Идея о невидимой темной материи и темной энергии не может объяснить те наблюдения, которые противоречат теории Эйнштейна.

Нидерландский физик Эрик Верлинде предлагает совершенно новую теорию, которая может объяснить движение во Вселенной без влияния на него темной материи.

Верлинде отрицает силу притяжения как одну из фундаментальных сил и считает, что она — явление, возникающее как следствие других меньших движений. Он называет это эмергентной гравитацией.

В 2011 году Нобелевская премия по физике была присуждена трем астрофизикам Солу Перлмуттеру (Saul Perlmutter), Адаму Риссу (Adam Riess) и Брайану Шмидту (Brian Schmidt).

Ученые открыли то, что считается одним из первых прорывов в теоретической астрофизике, а именно — что Вселенная ускоряет свое расширение, а не замедляет, как думали раньше.

Сол Перлмуттер начал эту работу, приступив в 1988 году к изучению света от сверхновых звезд. Шесть лет спустя Адам Рисс и Брайан Шмидт приняли эту эстафету, и как говорят, у двух команд возникли споры в связи с открытиями.

Обе команды ожидали, что расширение Вселенной замедлилось из-за гравитации между галактиками, это одно из следствий общей теории относительности Эйнштейна. Обе команды, между тем, пришли к одному и тому же выводу: предположение было ошибочным, Вселенная расширяется все быстрей.

Контекст

Закончить начатое Эйнштейном

Project Syndicate 14.05.2016

Гравитационные волны: завершено то, что Эйнштейн начал в Берне

SwissInfo 13.02.2016

Эйнштейн сокрушит их всех

Süddeutsche Zeitung 02.10.2013
На основе теории Эйнштейна 1915 года существовало предположение, что единственной продолжительной естественной силой, способной влиять на расширение Вселенной, была гравитация. Также считалось, что галактики будут притягивать друг друга и поэтому замедлять скорость расширения Вселенной после Большого взрыва.

Мы пока еще не знаем точно, в чем состоит ошибка. Мы совершенно не знаем, что это за отталкивающая сила, и только называем ее темной энергией. Ученые предположили, что 96% Вселенной состоят из темной материи и темной энергии.

Термин «темная материя» используется также и для того, чтобы объяснить, почему звезды остаются в перекручивающейся галактике, а не вылетают из нее во Вселенную.

Но: не только обычный человек считает, что идея о некоей невидимой силе во Вселенной не совсем правильна.

Известный нидерландский физик Эрик Верлинде опубликовал научную статью, где утверждает, что может объяснить движение без влияния на него темной материи, пишет сайт phys.org.

Ядром объяснения Верлинде является противоречивая идея о энтропийной гравитации. В 2010 году он удивил научное сообщество этой своей теорией, опровергавшей образ мышления людей в последние 300 лет.

Согласно теории Верлинде, сила притяжения не является одной из четырех фундаментальных сил, она является чем-то, что возникает. Верлинде утверждает, что гравитация — это эмергентное явление.

Так же, как образуется тепло, когда двигаются микроскопические частицы, образуется и гравитация — путем изменений в положении небесных тел, собранных в самой структуре пространство-время.

«У нас есть доказательства того, что этот способ рассматривания гравитации фактически совпадает с тем, что мы наблюдаем. В большом масштабе сила притяжения ведет себя абсолютно не так, как предсказывает теория Эйнштейна», — говорит он на сайте Phys.org.

На пороге научной революции

Наука уже давно знала, что в общей теории относительности Эйнштейна и теориях квантовой механики есть что-то непонятное.

Первая объясняет вещи большого масштаба, как предметы во Вселенной влияют друг на друга. Квантовая механика используется, чтобы объяснять вещи на микроскопическом уровне. Но обе теории не могут быть использованы одновременно друг с другом, что действительно является большой мистерией современной физики.

Обе теории не могут быть истинными в одно и то же время. Проблемы начинаются в самый напряженных ситуациях, таких как близость черной дыры и Большой взрыв.

Верлинде считает, что мы приближаемся к решению мистерии, что потребует переписать многое в учебниках.

«Многие физики-теоретики, такие, как я, работают над пересмотром теории, и уже сделаны большие шаги вперед. Может быть, мы стоим на пороге научной революции, которая радикально изменит наши представления о пространстве, времени и гравитации», — говорит Верлинде на сайте Phys.org.

• Перевод

Прямо у вас под носом может существовать невидимая цивилизация

Хотя мы знаем, что обычная материя отвечает всего за 1/20 энергии Вселенной и 1/6 энергии, переносимой материей (а всё остальное отходит на счёт тёмной энергии), мы считаем обычную материю очень важной составной частью. За исключением космологов, почти все люди концентрируются на обычной материи, хотя она, с энергетической точки зрения, не так уж и важна.

Обычная материя больше дорога нам, разумеется, потому, что мы из неё состоим – как и весь осязаемый мир, в котором мы живём. Но также мы интересуемся ею из-за богатого разнообразия её взаимодействий. Взаимодействия обычной материи включают электромагнитное, слабое и сильное – они помогают материи формировать сложные плотные системы. Не только звёзды, но и камни, океаны, растения и животные существуют благодаря негравитационным силам природы, ответственным за взаимодействия. Так же, как на гуляку больше влияет алкоголь, чем остальные составляющие пива, так и обычная материя, хотя и переносящая малую часть энергетической плотности, влияет на себя и окружение гораздо заметнее, чем нечто, просто пролетающее мимо.

Знакомую нам видимую материю можно рассматривать как привилегированный процент – точнее, 15% - материи. В бизнесе и политике 1% людей влияет на решения и правила, а оставшиеся 99% популяции обеспечивают инфраструктуру и поддержку – обслуживают здания, поддерживают работоспособность городов, доставляют еду. Так же и обычная материя влияет почти на всё, что мы отмечаем, а тёмная материя, в её изобилии и повсеместности, помогает создавать скопления и галактики, обеспечивает формирование звёзд, но мало влияет на наше непосредственное окружение.

Близкими нам структурами управляет обычная материя. Она отвечает за движение наших тел, за энергетические источники, питающие нашу экономику, за экран компьютера или бумагу, на которой вы это читаете, и практически за всё, что вы можете себе представить. Если что-то взаимодействует так, что это можно измерить, оно достойно внимания, поскольку оно сможет оказывать влияние на наше окружение.

Обычно у тёмной материи нет такого интересного влияния и структуры. Предполагается, что тёмная материя – это клей, удерживающий галактики и их скопления, находящийся в аморфных облаках. Но что, если это не так, и только наша предвзятость – и неведение, корень предвзятости – служит причиной нашего неверного представления?

В Стандартной модели есть шесть типов кварков, три типа заряженных лептонов (включая электрон), три вида нейтрино, частицы, отвечающие за все силы, а также новообретённый бозон Хиггса. Что, если мир тёмной материи, может и не настолько, но тоже разнообразный? В этом случае взаимодействия тёмной материи будут пренебрежимыми, но небольшая её часть будет взаимодействовать с силами, напоминающие силы обычной материи. Богатая и сложная структура частиц и сил Стандартной модели отвечает за множество интересных феноменов. Если у тёмной материи есть взаимодействующий компонент, он тоже может оказаться влиятельным.

Если бы мы были существами, состоящими из тёмной материи, было бы неправильным полагать, что все частицы обычной материи одинаковы. Возможно, люди, состоящие из обычной материи, делают ту же ошибку. Учитывая сложность СМ физики частиц, описывающей простейшие из известных нам компонентов материи, кажется странным предполагать, что вся тёмная материя состоит только из одного вида частиц. Почему бы не предположить, что некая её часть подвержена своим собственным взаимодействиям?

В таком случае, точно так же, как обычная материя состоит из разных типов частиц, и все эти фундаментальные составные части взаимодействуют через разные комбинации зарядов, у тёмной материи также будут разные составные части – и хотя бы один тип таких частиц будет участвовать в негравитационных взаимодействиях. Нейтрино в СМ не подвергаются влиянию электрической силы или сильного взаимодействия, в отличие от шести типов кварков.

Точно также, возможно, один тип частиц тёмной материи слабо или вообще не взаимодействует ни с чем, кроме как посредством гравитации, но какие-нибудь 5% от частиц испытывают другие взаимодействия. На основе изучения обычной материи можно сказать, что такой вариант более вероятен, чем обычное предположение о наличии одной слабовзаимодействующей частицы.

Ошибкой людей, занимающихся связями с иностранной общественностью, бывает попытка сгрести культуру другой страны в кучу, и не учитывать того факта, что в ней может существовать разнообразие, очевидное для их собственной страны. Так же, как хороший переговорщик не предполагает преобладания одного сектора общества над другим, пытаясь сравнивать разные культуры, так и непредвзятый учёный не должен предполагать, что тёмная материя не такая интересная, как обычная, и в ней не хватает разнообразия материи, схожего с тем, что имеется в нашей.

Пишущий на научно-популярные темы Кори Пауэлл , сообщая о нашем исследовании в журнале Discover, начал со слов о том, что он «шовинист лёгкой материи» – и что все мы тоже. Он имел в виду, что мы считаем, будто знакомая нам материя более важна, и, следовательно, более сложна и интересна. Очень похожие представления были опрокинуты революцией Коперника. Но большинство людей настаивают на том, что их точка зрение и убеждённость в нашей важности соответствуют реальному миру.

Множество компонент обычной материи по-разному взаимодействуют и по-разному влияют на мир. Так может быть, и у тёмной материи есть разные частицы с различным поведением, влияющие на структуру Вселенной измеряемым образом.

Впервые начав изучать частично взаимодействующую тёмную материю, я удивился, что практически никто не задумывался о том, что предположение, согласно которому только обычная материя демонстрирует разнообразие типов частиц и взаимодействий, является высокомерным заблуждением. Некоторые физики пытались анализировать такие модели, как «зеркальная тёмная материя», в которой тёмная материя повторяет всё, что свойственно обычной. Но такие примеры экзотичны. Их последствия трудно объединить с тем, что нам известно.

Несколько физиков изучали более общение модели взаимодействия тёмной материи. Но и они предполагали, что вся тёмная материя одинакова и подвергается одинаковым взаимодействиям. Никто не допускал простой возможности, по которой, хотя большая часть тёмной материи не взаимодействует с обычной, малая её толика может это делать.

Одна из причин этого понятна. Большинство людей считают, что новый тип тёмной материи не будет влиять на большую часть наблюдаемых явлений, если это всего лишь небольшая часть от тёмной материи. Мы ещё даже не смогли пронаблюдать самый главный компонент тёмной материи, и заниматься её небольшой составляющей кажется преждевременным.

Но если вспомнить, что обычная материя переносит лишь 20% энергии от тёмной, при этом большинство из нас замечает только её, можно понять, в чём эта логика неправа. Материя, взаимодействующая через более мощные негравитационные силы, может представлять больше интереса и оказывать больше влияния, чем большая часть слабо взаимодействующей материи.

С обычной материей так и есть. Она чрезмерно влиятельна, несмотря на её малое количество, поскольку она сжимается в плотные диски, из которых могут формироваться звёзды, планеты, Земля и жизнь. Заряженный компонент тёмной материи – хоть его может и не быть так много – тоже может сжиматься и формировать диски, такие, как видимый диск в Млечном пути. Он даже может сгущаться в объекты, похожие на звёзды. Такую структуру в принципе можно пронаблюдать, и, возможно, это ещё проще сделать, чем обычная холодная тёмная материя, рассеянная в огромном сферическом гало.

Если размышлять таким образом, то количество возможностей быстро растёт. Ведь электромагнетизм – всего лишь одно из нескольких негравитационных взаимодействий, испытываемых частицами Стандартной модели. Кроме силы, привязывающей электроны к ядрам, частицы СМ испытывают слабое и сильное ядерное взаимодействие. В мире обычной материи могут существовать и другие взаимодействия, но настолько слабые на доступных нам энергиях, что их ещё никто не наблюдал. Но даже присутствие трёх негравитационных взаимодействий намекает на то, что в тёмном секторе тоже могут присутствовать негравитационные взаимодействия кроме тёмного электромагнетизма.

Возможно, на тёмную материю, кроме сил, похожих на электромагнитную, влияют и силы ядерного толка. Возможно, что из тёмной материи могут формироваться тёмные звёзды, в которых идут ядерные реакции, благодаря которым образуются структуры, ведущие себя более похожим на обычную материю образом, чем описываемая мною до сих пор тёмная материя. В таком случае в тёмном диске могут находиться тёмные звёзды, окружённые тёмными планетами, состоящими из тёмных атомов. У тёмной материи может наблюдаться та же сложность, что есть и у обычной.

Частично взаимодействующая тёмная материя представляет собой богатую почву для измышлений и вдохновляет нас на рассмотрение возможностей, к которым иначе мы бы и не обратились. Писатели и киношники могут найти все эти дополнительные силы и последствия, таящиеся в тёмном секторе, весьма заманчивыми. Они могли бы даже предположить наличие тёмной жизни, существующей параллельно с нашей. В этом случае, вместо обычных анимированных существ, сражающихся с другими анимированными существами, или, в редких случаях, работающих с ними сообща, по экрану могли бы маршировать существа из тёмной материи, которые перетянули бы на себя всё действие.

Но смотреть на это было бы не так интересно. Проблема в том, что кинематографисты столкнулись бы с трудностями при съёмках тёмной жизни, невидимой для нас. Даже если бы и существовали тёмные существа, мы не узнали бы об этом. Вы не можете знать, насколько симпатичной могла бы быть тёмная жизнь – и почти наверняка не узнаете.

Хотя довольно весело размышлять о возможностях существования тёмной жизни, гораздо сложнее придумать, как её наблюдать – или хотя бы обнаружить её существование по косвенным признакам. Довольно сложно найти жизнь, состоящую из тех же компонентов, что и мы, хотя поиски внесолнечных планет идут. Но доказательства существования тёмной жизни, если она существует, будут ещё более неуловимыми, чем доказательства существования обычной жизни в удалённых мирах.

Совсем недавно нам удалось пронаблюдать гравитационные волны, исходящие от огромных чёрных дыр. У нас практически нет шанса обнаружить гравитацию тёмного существа или целой армии тёмных существ, неважно, как близко от нас они находятся.

В идеале хотелось бы как-то общаться с этим новым сектором. Но если эта новая жизнь не подвергается воздействию знакомых нам сил, этого не будет. Хотя мы разделяем с ними гравитацию, такое влияние одного объекта или жизненной формы будет слишком слабым для обнаружения. Только очень крупные объекты, типа диска в плоскости Млечного пути, могут порождать наблюдаемые эффекты.

Тёмные объекты или тёмная жизнь могут существовать очень близко к нам – но если общая масса тёмного вещества невелика, мы об этом не узнаем. Даже с современной технологией, или любой технологией, которую мы можем представить, проверить можно будет только очень специфические возможности. «Теневая жизнь», какой бы она ни была волнующей, вряд ли будет иметь осязаемые нами последствия, и может быть соблазнительной, но недостижимой возможностью. Но тёмная жизнь – это весьма вольное предположение. Фантастам не составит проблем создать её, но у Вселенной для этого есть гораздо больше препятствий. Непонятно, какие из вариантов химических взаимодействий способны поддерживать жизнь, и нам неизвестно, какая среда необходима для тех вариантов, которые способны это делать.

Тем не менее, в принципе тёмная жизнь может существовать, прямо у нас под носом. Но без более сильных взаимодействий с материей нашего мира, она может развлекаться, сражаться, быть активной или пассивной – и мы никогда не узнаем об этом. Интересно, однако, что при наличии взаимодействий в тёмном мире, связанных или не связанных с жизнью, они могут влиять на структуру измеряемым образом. И тогда мы сможем гораздо больше узнать о тёмном мире.