Що таке темна матерія та як учені за нею полюють

Що таке темна матерія та коли про неї вперше заговорили?

Концепцію темної матерії створили у 1930-х роках, коли швейцарський астроном Фріц Цвіккі помітив незвичайне явище: далекі галактики обертаються набагато швидше, ніж це дозволяє їхня видима маса. Це спостереження поклало початок гіпотезі про існування невидимої речовини, яка чинить потужний гравітаційний вплив на галактики. Без темної матерії галактики просто розвалилися б, а зірки полетіли б у космос, адже саме ця субстанція утримує їх разом, пише 24 Канал.

Дослідники встановили, що темна матерія у п'ять разів поширеніша за звичайну баріонну матерію, з якої складаються зірки, планети та все, що ми бачимо навколо. Вона не бере участі в електромагнітній взаємодії та сильній ядерній взаємодії, тому виявити її можна виключно за гравітаційними ефектами. Темна матерія створює своєрідний гравітаційний "каркас", на якому формуються галактики й скупчення галактик, визначаючи структуру Всесвіту.

Існує кілька основних теорій щодо природи частинок темної матерії. Найпопулярнішою є гіпотеза про так звані WIMP – масивні частинки, що слабо взаємодіють (Weakly Interacting Massive Particle). До них належать, зокрема, нейтраліно, передбачені теорією суперсиметрії (не плутати з нейтрино).

Як шукають темну матерію?

Учені використовують різні методи пошуку темної матерії. Один із підходів полягає у спостереженні за тим, як гравітація темної матерії згинає світло, що проходить крізь неї, подібно до космічної призми. Наприклад, команда з Національної астрономічної обсерваторії Японії досліджує ці перекоси й коливання, щоб створити першу карту розподілу темної матерії у Всесвіті.

Інший метод передбачає використання підземних лабораторій, де вчені намагаються зафіксувати сигнали від частинок темної матерії. У грудні 2024 року міжнародна команда дослідників оголосила про прорив у підземній лабораторії в США, де вони зафіксували сигнали, що поводяться подібно до темної матерії на раніше недосліджених енергетичних рівнях.

Учені зосередилися на пошуку WIMP з масою від п'яти до десяти гігаелектронвольт на квадрат швидкості світла – діапазоні, який раніше майже не вивчали через технічні обмеження. За допомогою космічного телескопа "Фермі" дослідники також виявили потужне гамма-випромінювання, що виходить із "галоподібної" структури навколо Чумацького Шляху, що може бути першим прямим доказом існування темної матерії.

Як із цим всім пов'язана темна енергія?

Темна енергія — це гіпотетична форма енергії в космології, яка має від'ємний тиск і рівномірно заповнює весь простір Всесвіту. За своєю суттю, це таємнича сила, яка спричиняє прискорене розширення Всесвіту. Вона складає близько 70% усього, що існує у Всесвіті.

Темна енергія рівномірно розподілена у всьому Всесвіті. Вона заповнює весь простір космосу, немов рідина, і присутня скрізь однаково. За деякими теоріями, темна енергія є фундаментальною, постійно присутньою фоновою енергією в космосі, відомою як енергія вакууму.

Як проявляється темна енергія?

Темна енергія проявляється через кілька унікальних властивостей:

• Прискорене розширення Всесвіту: її основний ефект полягає у тому, що вона сприяє прискореному розширенню Всесвіту, що можна виміряти спостереженнями, заснованими на законі Габбла.
• Антигравітаційний ефект: завдяки від'ємному тиску темна енергія породжує відштовхування або антигравітацію, тобто "розштовхує" сама себе.
• Постійна густина: вона має постійну густину, яка не змінюється у часі, хоча нові дослідження припускають, що її густина таки може зменшуватися з часом.

Функції темної енергії

Основна функція темної енергії полягає у керуванні динамікою розширення Всесвіту. Вона діє як рушійна сила, що протидіє гравітаційному притяганню і змушує галактики віддалятися одна від одної з прискоренням. Згідно з загальною теорією відносності, від'ємний тиск темної енергії породжує відштовхувальну гравітацію, яка сприяє розширенню простору.

Нові дослідження припускають, що темна енергія може зв'язувати найменші квантові масштаби (довжину Планка) з найбільшими космологічними масштабами (розміром Всесвіту), що має фундаментальне значення для розуміння природи простору-часу.