# Тёмная материя или ошибка Эйнштейна: как ученые пытаются объяснить невидимую массу Вселенной

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=tP0VoGMRmrQ
Канал: World Science Festival
Опубликовано: 22.09.2016

---

Около 50 лет назад астрофизик Вера Рубин, вооружившись новейшими инструментами для измерения глубокого космоса, обнаружила нечто пугающее: галактика Андромеды и десятки других спиральных систем игнорировали базовые законы движения Ньютона и Кеплера [0:21]. Звёзды на их окраинах вращались так быстро, что видимая масса галактик просто не могла их удержать — они должны были разлететься в разные стороны, как сорвавшийся с цепи груз [2:29]. Это открытие породило концепцию темной материи — невидимой субстанции, которая составляет большую часть массы Вселенной.

На фестивале World Science Festival ведущие физики и астрономы современности обсудили, почему спустя полвека мы всё ещё не поймали эту «частицу-призрак» и не пора ли нам пересмотреть сами основы физики.

## 🌌 Наследие Веры Рубин и «космический коктейль»
[[JUMP:0:09]]

Согласно законам Кеплера, планеты, находящиеся дальше от Солнца, движутся медленнее, так как гравитация ослабевает с расстоянием [1:27]. Однако Вера Рубин увидела, что в галактиках этого не происходит: внешние звёзды движутся почти с той же скоростью, что и внутренние [2:17]. Чтобы объяснить это без изменения законов физики, необходимо допустить наличие огромного количества невидимой массы.

Профессор Мичиганского университета Кэтрин Фриз описывает состав Вселенной как «космический коктейль» [10:49]:

*   Звёзды и планеты: 0,01 унции (в пересчете на 10-унцовый бокал).
*   Нейтрино: 0,01 унции.
*   Водород и гелий: 0,5 унции.
*   **Тёмная материя:** почти 3 унции (около 25–26% Вселенной).
*   **Тёмная энергия:** около 7 унций (остальное).

По мнению Фриз, тёмная материя — это фундамент, без которого мы бы не существовали. Именно она начала «слипаться» в ранней Вселенной первой, создав гравитационные колодцы, в которые затем упала обычная материя, сформировав галактики [48:10].

## 🕵️ Охота на WIMP: три стратегии поиска
[[JUMP:15:22]]

Основным кандидатом на роль тёмной материи долгое время считались WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) — слабо взаимодействующие массивные частицы [15:22]. По словам Кэтрин Фриз, они не чувствуют ни электромагнетизма (поэтому не светятся), ни сильного ядерного взаимодействия, но могут ощущать «слабую силу» ядра [16:02].

Учёные используют три основных метода их поиска:

1.  **Прямое детектирование в подземных лабораториях.** Детекторы вроде Xenon или DAMA/LIBRA размещаются глубоко в заброшенных шахтах или под горами, чтобы защититься от космических лучей [18:23]. Учёные ждут редчайшего события — когда частица тёмной материи ударит по ядру атома ксенона, вызвав слабую вспышку [18:50].
2.  **Непрямой поиск в космосе.** Если WIMP являются собственными античастицами, при столкновении друг с другом они могут аннигилировать, выбрасывая гамма-лучи [29:26]. Спутник Fermi уже зафиксировал избыток гамма-излучения в центре нашей Галактики, который Лиза Рэндалл и Кэтрин Фриз считают возможным сигналом тёмной материи [31:14].
3.  **Создание на коллайдерах.** На Большом адронном коллайдере (LHC) учёные сталкивают протоны в надежде, что при распаде частиц часть энергии «исчезнет», превратившись в частицу тёмной материи [19:30].

Нил Вайнер отмечает невероятный прогресс: за последние 25 лет чувствительность детекторов выросла почти в миллиард раз [24:01]. Однако, несмотря на это, прямых доказательств существования WIMP всё ещё нет, что заставляет часть научного сообщества нервничать.

## ⚖️ MOND: когда гравитация ведёт себя иначе
[[JUMP:34:17]]

Стейси Макго из Университета Кейс-Вестерн-Резерв представляет лагерь скептиков. Он считает, что мы, возможно, ищем то, чего не существует, вместо того чтобы признать ошибку в уравнениях [10:09]. 

Макго указывает на теорию MOND (Modified Newtonian Dynamics — модифицированная ньютоновская динамика), предложенную Мордехаем Милгромом в 1983 году [40:36]. Основные идеи MOND:

*   При очень низких ускорениях (порядка $10^{-10} м/с^2$, что в 100 миллиардов раз меньше земного притяжения) законы Ньютона меняются [39:44].
*   Эта аномалия идеально объясняет вращение галактик без привлечения «невидимых частиц» [40:23].

Макго утверждает, что его наблюдения галактик с низкой поверхностной яркостью в точности совпали с предсказаниями Милгрома, сделанными за 10 лет до эксперимента [44:29]. По мнению Макго, существует странный «заговор» между видимой материей и скоростью вращения (зависимость Талли — Фишера), который стандартная модель тёмной материи объясняет лишь с трудом, списывая всё на «сложную физику звёзд» [37:21].

## 💧 Тёмная материя как «сверхтекучая жидкость»
[[JUMP:55:29]]

Джастин Хури из Пенсильванского университета предложил гибридную теорию, которая может примирить сторонников частиц и сторонников изменения гравитации. Он полагает, что тёмная материя способна переходить в состояние сверхтекучести — квантовое состояние, подобное жидкому гелию, охлажденному почти до абсолютного нуля [55:29].

Суть теории Хури:

*   Внутри галактик тёмная материя образует гигантский сверхтекучий конденсат [56:46].
*   В этой «жидкости» возникают звуковые волны (фононы), которые создают дополнительную силу, имитирующую изменение гравитации (тот самый эффект MOND) [57:01].
*   В крупных скоплениях галактик, где частицы движутся быстрее, сверхтекучесть исчезает, и тёмная материя ведёт себя как обычные частицы, что согласуется с данными гравитационного линзирования [58:06].

## 🥊 Столкновение аргументов: «Пулевое скопление» и реликтовое излучение
[[JUMP:47:57]]

Кэтрин Фриз и Лиза Рэндалл приводят контрдоводы против теории изменения гравитации (MOND):

1.  **Реликтовое излучение (CMB):** «Эхо» Большого взрыва содержит отпечатки того, как материя сгущалась в самом начале. По мнению Фриз, эти данные невозможно объяснить без тёмной материи [49:15]. 
2.  **Пулевое скопление (Bullet Cluster):** При столкновении двух скоплений галактик обычный газ затормозился из-за трения (розовое облако на снимках), а гравитирующая масса (синее облако) пролетела насквозь [50:35]. Это прямое доказательство того, что источник гравитации может существовать отдельно от видимого вещества [51:03].

Стейси Макго возражает, отмечая, что само столкновение в «Пулевом скоплении» произошло на скорости, которую стандартная космология объяснить не может, в то время как для MOND такая скорость естественна [51:42]. Кроме того, он напоминает, что астрономы до сих пор не нашли даже всю «обычную» материю (барионы), предсказанную теорией [53:04].

## 🧪 Будущее: тёмный сектор и чёрные дыры
[[JUMP:1:07:42]]

Участники дискуссии сошлись на том, что тёмная материя вряд ли является одной простой частицей. Лиза Рэндалл и Нил Вайнер предполагают существование целого «тёмного сектора» — набора различных частиц со своими силами, которые мы просто не ощущаем [12:05]. 

Другая экзотическая версия, упомянутая Кэтрин Фриз: тёмная материя может состоять из первичных чёрных дыр, образовавшихся в первые мгновения после Большого взрыва [108:50]. Если это так, то недавнее открытие гравитационных волн на детекторе LIGO могло быть регистрацией слияния именно таких объектов тёмной материи [108:24].

Главный вопрос дискуссии сформулировал Стейси Макго: «Если мы так и не увидим частицу в подземных лабораториях, в какой момент мы решим, что ошибались?» [1:12:59]. Пока же учёные продолжают строить всё более чувствительные детекторы, надеясь, что Вселенная в конце концов выдаст свой главный секрет.