В поисках тёмной материи: что мы уже узнали

Около 85% массы во Вселенной — это так называемая тёмная материя, таинственная материя, которую невозможно увидеть и которая оказывает огромное воздействие на космос. Что же это за вещество и как оно связанно с нашим существованием? Астрофизик Риса Векслер изучает, почему тёмная материя может быть ключом к пониманию того, как образовалась Вселенная, и делится тем, как физики в лабораториях по всему миру изобретают новые способы её изучения.

Вы когда-нибудь думали, что случилось бы,

будь мир немного другим?

Как изменилась бы ваша жизнь,

если бы вы родились через 5 000 лет,

а не в наши дни?

Как бы изменилась история,

будь континенты
расположены на других широтах,

или как развивалась бы жизнь
в Солнечной системе,

если бы Солнце было на 10% крупнее?

Размышлять о таких возможностях —

это моя работа,

но думаю я в масштабах Вселенной.

Я создаю модели вселенных на компьютере.

Цифровые вселенные, имеющие разные начала

и созданные из разных материалов
в различных пропорциях.

Затем я сравниваю эти вселенные с нашей,

чтобы увидеть, из чего она состоит
и как эволюционировала.

Этот процесс проверки моделей
через измерения неба

уже открыл для нас многое о Вселенной.

Одна из самых больших
выявленных странностей

заключается в том,
что материя во Вселенной

состоит не из того же, из чего вы и я.

Но без неё

Вселенная, какой мы её знаем,
не существовала бы.

Всё, что мы видим в телескопы,

составляет только около 15%
общей массы Вселенной.

Остальное, целых 85%,

не излучает и не поглощает свет.

Эту материю не увидеть,

не засечь радиоволнами

или микроволнами,
никаким другим видом света.

Но мы знаем, что она существует,

по тому, как она влияет
на видимые нам объекты.

Похоже на то,

как если бы вы рисовали карту
нашей планеты

и всего на ней,

основываясь на сделанной из космоса
фотографии ночной Земли.

По тому, где есть свет,
можно сделать некоторые выводы,

но многое остаётся невидимым:

от людей до горных хребтов.

Выводы приходится делать,
исходя из этих ограниченных подсказок.

Мы зовём это невидимое вещество
тёмной материей.

Многие слышали о тёмной материи,

но даже если слышали,

понятие, вероятно, кажется абстрактным,

далёким, даже неважным.

Интересно то,

что нас окружает тёмная материя,

вероятно, прямо здесь.

На самом деле, частицы тёмной материи,

вероятно, проходят сейчас через ваше тело,

пока вы здесь сидите.

Поскольку мы находимся на Земле,

а Земля крутится вокруг Солнца,

а Солнце движется по нашей галактике

со скоростью 800 тысяч километров в час.

Но тёмная материя с нами не сталкивается,

а проходит сквозь нас.

Так как же нам узнать о ней больше?

Что это,

как она связана с нашим существованием?

Чтобы разобраться, откуда мы произошли,

сначала нужно понять,
как образовалась наша галактика.

Это современное изображение
нашей галактики Млечный Путь.

Как она выглядела 10 миллиардов лет назад

или как она будет выглядеть
через 10 миллиардов лет?

А какие истории

у сотен миллионов других галактик,

которые мы уже обнаружили
при масштабном исследовании неба?

Чем отличались бы их истории,

если бы Вселенная
состояла из чего-то иного,

или если бы в ней было
больше или меньше материи?

В этих моделях вселенных интересно то,

что они позволяют нам
проверить эти возможности.

Вернёмся к моменту рождения Вселенной,

всего на долю секунды
после Большого взрыва.

В этот первый момент

материи совсем не существовало.

Вселенная очень быстро расширялась.

Квантовая механика подсказывает,

что материя создаётся и разрушается

постоянно, в каждый момент.

Тогда Вселенная расширялась
так стремительно,

что создаваемая материя
не успевала разрушаться.

Поэтому мы думаем, что вся материя
появилась именно в то время.

И тёмная материя,

и обычная, из которой состоим вы и я.

Продвинемся немного дальше

ко времени, когда материя
уже была создана,

сформировались протоны и нейтроны,

водород,

перейдём на 400 000 после Большого взрыва.

Вселенная была горячей,
плотной и очень однородной,

но не совсем.

Этот снимок, сделанный
космическим телескопом Планк,

показывает температуру Вселенной

во всех направлениях.

Мы видим,

что раньше одни места были
более горячими и плотными,

чем другие.

Точки на этом снимке

показывают места, где в молодой Вселенной
были места с большей или меньшей массой.

Из-за гравитации эти точки разрослись.

Вселенная расширялась и становилась
в целом менее плотной

за последние 13,8 миллиардов лет.

Но гравитация активно действовала там,

где было немного больше массы,

и притягивала в эти области
всё больше массы.

Всё это сложно вообразить,

позвольте показать вам, а чём я говорю.

Упомянутые компьютерные модели
позволяют проверить эти идеи,

посмотрим на одну из них.

Это видео создано
моей исследовательской группой,

на нём показано, что произошло
со Вселенной сразу после её рождения.

Видите, Вселенная вначале
была довольно однородной,

но в некоторых областях

было несколько больше материи.

Сработала гравитация
и привлекла ещё больше массы туда,

где массы изначально было чуть больше.

Со временем

в одном месте накапливалось
достаточно всего,

чтобы газ водород,

который до этого был перемешан
с тёмной материей,

начал отделяться от неё,

охлаждаться, образовывать звёзды

и превращаться в маленькую галактику.

Со временем, через миллиарды
и миллиарды лет,

те маленькие галактики
сталкивались друг с другом,

сливались и становились большими,

такими как наша галактика Млечный Путь.

Что произойдёт,
если тёмной материи не будет?

Без тёмной материи

те места никогда не наберут
достаточно массы.

Выяснилось, что необходимо не менее
миллиона масс нашего Солнца

в одной небольшой области,

чтобы смогли образоваться звёзды.

Без тёмной материи

достаточной массы в одном месте
не соберётся.

Здесь мы видим рядом две галактики.

На одной мы можем видеть,

что быстро образуются скопления материи.

В этой вселенной

легко образуются галактики.

В другой вселенной

формирующиеся небольшие скопления

остаются очень маленькими.

Почти ничего не происходит.

Во второй вселенной
нашей галактики не появится.

И никакой другой тоже.

Не появится Млечный Путь,

не будет Солнца,

не будет нас.

В такой вселенной мы вообще
не могли бы существовать.

Итак, эта невероятная тёмная материя

составляет бóльшую часть массы Вселенной,

проходит сквозь нас прямо сейчас,
без неё нас бы просто не было.

Так что это?

Мы без понятия.

(Смех)

Но у нас много эмпирических предположений

и много идей, как выяснить о ней больше.

Большинство физиков считают,
что тёмная материя — это частица,

во многом похожая на известные нам
элементарные частицы,

такие как протоны, нейтроны и электроны.

Что бы это ни было,

гравитация действует на неё
схожим образом.

Но она не излучает и не поглощает свет,

проходит сквозь обычную материю,

как будто её там и нет.

Мы бы хотели знать, что это за частица.

Например, насколько она тяжёлая?

Происходит ли хоть что-то при её
взаимодействии с обычной материей?

У физиков много отличных
предположений о тёмной материи,

очень изобретательных.

Но всё непросто,

потому что круг идей очень широк.

Тёмная материя может быть размером
с мельчайшую из элементарных частиц

или, напротив, иметь массу ста Солнц.

Как это выяснить?

Физики и астрономы

ищут тёмную материю разными способами.

Например, мы строим чувствительные
улавливающие приборы

глубоко под землёй

и ждём возможности,

когда частица тёмной материи,
проходящая через нас и Землю,

столкнётся с более плотной материей

и оставит какой-нибудь след.

Мы ищем тёмную материю в небе,

надеясь, что частицы тёмной материи

столкнутся друг с другом

и создадут энергию и свет,
который мы сможем увидеть

специальными телескопами с гамма-лучами.

Мы даже пытаемся создать
тёмную материю здесь, на Земле,

сталкивая частицы между собой
и наблюдая за результатом

в Большом адронном коллайдере в Швейцарии.

На данный момент

в результате этих экспериментов
мы много узнали о том,

чем тёмная материя не является,

(Смех)

но не чем она является.

Были действительно хорошие
предположения о тёмной материи,

что продемонстрировали бы эксперименты.

Но пока её не увидели,

нам придётся думать и искать дальше.

Другой способ найти подсказку о том,
что такое тёмная материя, —

изучать галактики.

Мы уже обсудили,

как наша и многие другие галактики
не существовали бы

без тёмной материи.

По этим моделям можно
сделать предположения

о многом другом о наших галактиках:

как они распределены по Вселенной,

как движутся,

как эволюционируют со временем.

Мы можем проверить эти предположения,
наблюдая за небом.

Позвольте привести вам два примера

таких измерений галактик.

Первый заключается в том, что мы можем
построить карты Вселенной с галактиками.

Я участвую в проекте
«Исследование тёмной энергии»,

в рамках которого была построена
пока самая большая карта Вселенной.

Мы измерили позиции и формы
100 миллионов галактик,

расположенных на 1/8 части неба.

На карте показана вся материя
этой области неба,

о которой мы сделали вывод по свету,
искривлённому этими 100 млн галактик.

По искривлению света от всей этой материи

между галактиками и нами.

Гравитация материи достаточно сильна,
чтобы искривить путь света.

Так мы получаем это изображение.

Такие карты

могут рассказать нам о том,
сколько существует тёмной материи,

а также о том,

как она меняется со временем.

Мы пытаемся понять,
из чего состоит Вселенная

в величайшем масштабе.

Оказывается, что самые маленькие
галактики нашей Вселенной

дают самые лучшие подсказки.

Почему так происходит?

Вот два примера симуляции вселенных

с двумя разными видами тёмной материи.

На обеих изображениях показана область

рядом с галактикой типа Млечного Пути.

Вы видите, что вокруг неё
есть много другого вещества,

небольшие скопления.

На изображении справа

частицы тёмной материи движутся медленнее,
чем на изображении слева.

Если частицы тёмной материи
движутся действительно быстро,

гравитация в скоплениях недостаточна,

чтобы замедлить эти частицы.

И они продолжают движение.

Они не сталкиваются
и не образуют скопления.

Поэтому скоплений меньше,
чем во вселенной справа.

Без этих маленьких скоплений

образуется меньше галактик.

Если смотреть на южную часть неба,

видно две такие маленькие галактики,

самые крупные из маленьких галактик,
окружающих Млечный Путь:

Большое Магелланово Облако
и Малое Магелланово Облако.

За последние несколько лет

мы обнаружили целую кучу
ещё меньших галактик.

Вот пример одной из них,

которую мы обнаружили
в ходе того же изучения тёмной энергии,

которое мы использовали,
чтобы нарисовать карты Вселенной.

Это по-настоящему маленькие галактики,

некоторые чрезвычайно малы.

В некоторых всего несколько сотен звёзд,

при том что в Млечном Пути
несколько сотен миллиардов звёзд.

Поэтому их так сложно найти.

Но в последние десять лет

мы нашли много таких галактики.

Сейчас нам известно
60 таких крошечных галактик,

окружающих наш Млечный Путь.

Эти малютки дают большую подсказку
к тайне тёмной материи.

Само существование этих галактик
говорит нам о том,

что тёмная материя
не движется слишком быстро,

и мало что происходит при её столкновении
с обычной материей.

В следующие несколько лет

мы создадим ещё больше точных карт неба.

Они помогут улучшить наши видео

всей Вселенной и всей галактики.

Физики проводят новые,
более точные эксперименты,

чтобы уловить знаки тёмной материи
в своих лабораториях.

Тёмная материя остаётся большой загадкой.

Но работать над этим сегодня —
восхитительно.

У нас есть явные свидетельства
её существования.

Как в масштабе мельчайших галактик,

так и всей Вселенной.

Сможем ли мы найти её
и во всём разобраться?

Понятия не имею.

Но было бы очень здорово всё выяснить.

У нас есть много возможностей
сделать это открытие,

и мы определённо узнаем
больше о том, что она делает

и чего нет.

Независимо от того, обнаружим ли мы
в ближайшее время эту частицу,

я надеюсь, что смогла убедить вас,

что эта тайна касается всех нас.

Поиск тёмной материи

может стать ключом
к абсолютно новому пониманию физики

и нашего места во Вселенной.

Спасибо.

(Аплодисменты)