Существование темной материи – одна из самых крутых научных историй в моей жизни. Когда я рос, я был влюблен практически во все области науки, но особенно в астрономию, и в то время мы понятия не имели, что 85% материи во Вселенной вообще существует. Теперь мы знаем, что астрономия, которой я был так увлечен, на самом деле была изучением 15% материи во Вселенной. Если считать темную энергию, которая составляет 68% Вселенной, то темная материя составляет 27%, и все, что мы считали целой Вселенной, на самом деле составляет всего 5% Вселенной.
Эта история резко противоречит мнению всех чудаков и псевдоученых, которые пытаются убедить вас, что ученые лишь поддерживают статус-кво. За свою жизнь мы открыли 95% Вселенной, хотя ни одна из предшествующих теорий не говорила нам, что следует ожидать такого результата. (На существование темной материи намекали наблюдения за вращением галактик, но они не были общепринятыми.) Открытия были основаны на неожиданных наблюдениях, которые разрушили наши представления о том, как устроена Вселенная. Ученые отнеслись к этим новым идеям скептически, но продолжили их изучать и постепенно убедились в их достоверности. Сейчас темная материя и темная энергия считаются общепринятыми – потому что доказательства убедили ученых. Вот как работает наука, дети, так что не верьте чудакам.
Темная материя – это мощная идея, даже несмотря на то, что в настоящее время мы не знаем, что это такое, потому что она не только объясняет наблюдения, которые в противном случае не имеют смысла, но и позволяет делать прогнозы. Прогнозы – это ключ к научному прогрессу. Они дают возможность проверить идеи на практике. Если идея не дает никаких проверяемых предсказаний, правильных или неправильных, она просто бесполезна. (Даже не ошибочна.)
Первый намек на существование темной материи был получен при наблюдении за вращением галактик. Короче говоря, звезды во внешних частях галактик движутся быстрее, чем это можно объяснить ньютоновской гравитацией и массой наблюдаемых звезд. На этот счет были сделаны некоторые предварительные наблюдения, но они не получили серьезного научного освещения до тех пор, пока в 1980 году Вера Рубин не опубликовала свою влиятельную статью, основанную на ее работах за предыдущее десятилетие с лишним. Используя самые точные на сегодняшний день наблюдения, она показала, что все звезды в спиральных галактиках вращаются примерно с одинаковой скоростью. Это означает, что масса спиральных галактик линейно увеличивается по мере удаления от ядра, но это невозможно объяснить с помощью наблюдаемой материи. Галактики должны состоять как минимум на 50% из невидимой, или темной, материи.
Альтернативная теория, основанная на модифицированной ньютоновской динамике (MOND), утверждает, что гравитационная постоянная отличается в действительно больших (галактических) масштабах, и это объясняет наблюдения. Это мнение остается в меньшинстве, и более поздние наблюдения, похоже, опровергли теорию MOND в пользу темной материи.
Эти более поздние наблюдения показывают, что темная материя – это не просто обычная материя, скрытая пылевыми облаками или по какой-либо другой причине. Темная материя на самом деле является новым и неизвестным типом материи, поскольку она ведет себя не так, как другие известные виды материи. Убедительным доказательством является наблюдение столкновений между скоплениями галактик. Первое такое наблюдение было проведено в скоплении пуля в 2006 году.
Используя рентгеновский телескоп “Чандра”, астрономы наблюдали это столкновение скоплений галактик. Они обнаружили, что видимое вещество в скоплении замедлилось, когда они столкнулись друг с другом, как и следовало ожидать. Это связано с тем, что вещество в двух скоплениях взаимодействует друг с другом, вызывая замедление. Астрономы также наблюдали эффект гравитационного линзирования скопления. По сути, они могли видеть форму гравитационного поля сталкивающихся скоплений. Они обнаружили, что центры тяжести двух скоплений продолжали перемещаться друг мимо друга, практически не взаимодействуя, даже в то время как видимая материя сталкивалась друг с другом и замедлялась.
Это означает, что темная материя, на которую приходится большая часть гравитации, очень слабо взаимодействует с обычной материей и с самой собой. Ее негравитационное взаимодействие очень незначительно. На самом деле, астрономы могли бы использовать наблюдения за скоплением пуля, чтобы установить пределы этого негравитационного взаимодействия темной материи.
Однако одни и те же данные никогда не удовлетворяют ученых. Это подводит нас к новому исследованию и вдохновляет на написание сегодняшней статьи. Астрономы только что опубликовали наблюдения 72 подобных столкновений скоплений галактик. Они пишут:
Используя космические телескопы “Чандра” и “Хаббл”, мы уже наблюдали 72 столкновения, включая как крупные, так и незначительные слияния. Статистически объединив эти измерения, мы обнаружили существование темной массы при значении 7,6σ.
Значение 7,6σ (или сигма) – это огромная степень достоверности. Пять сигм обычно считаются уровнем достоверности в наборе данных, при котором результаты могут быть приняты за достоверные. Это соответствует одному шансу из 3,5 миллионов, что результаты были получены случайно. Результат, равный 7,6 сигма, выходит за рамки достоверности.
Другими словами, темная материя существует. Это реальная вещь. Это неизвестный тип материи, который обладает сильным гравитационным полем, но в остальном лишь очень слабо взаимодействует с другой материей, включая темную.
Мы не знаем, что такое темная материя, но этот новый результат дает нам еще один кусочек головоломки. Авторы отмечают, что результаты “опровергают некоторые предлагаемые дополнения к стандартной модели”.
Я очень надеюсь, что доживу до того момента, когда эта многолетняя научная новелла продвинется до того момента, когда мы узнаем, что на самом деле представляет собой темная материя. Но даже если до этого открытия еще несколько десятилетий, это было потрясающее открытие. Когда я родился, мы думали, что знаем, из чего состоит Вселенная, но наши знания охватывали только 5% реальной Вселенной. Теперь, по крайней мере, у нас есть лучшее представление о масштабах нашего невежества, что является началом открытий.
Теперь у нас есть очень веские доказательства того, что 27% Вселенной состоит из неизвестного типа материи, которая обладает гравитацией, но в остальном слабо взаимодействует. Мы собираем сведения о том, что представляет собой эта темная материя, а чем она не является. В конце концов, мы выясним, что это такое. Это знание, скорее всего, только создаст дополнительные загадки для изучения учеными.
