# Загадка тёмной материи: как невидимая масса управляет Вселенной и почему её ищут глубоко под землёй

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=eDiRJY_AIZ8
Канал: Perimeter Institute
Опубликовано: 21.08.2020

---

Вселенная напоминает ночной город, видимый из иллюминатора самолета: звезды подобны огням улиц, но все, что находится между ними — огромные пространства тьмы, — остается невидимым. Современная наука пришла к выводу, что знакомая нам материя (атомы, планеты, люди) составляет лишь малую часть мироздания, в то время как основная его масса приходится на загадочную темную материю, природа которой до сих пор не раскрыта.

## 🌌 Открытие Веры Рубин: Аномалия в созвездии Андромеды
[[JUMP:01:24]]

До 1967 года физики полагали, что хорошо понимают устройство Вселенной. Однако наблюдения астронома Веры Рубин перевернули эти представления [01:38]. Изучая галактику Андромеды, она анализировала движение миллиардов звезд вокруг галактического центра. В солнечной системе планеты вращаются тем медленнее, чем дальше они находятся от Солнца [01:51]. Рубин ожидала увидеть ту же закономерность в галактиках: скорость звезд должна была снижаться при удалении от центра.

Результаты оказались ошеломляющими:

*   Скорость звезд оставалась постоянной на любом расстоянии от центра галактики [02:22].
*   Звезды на окраинах двигались гораздо быстрее, чем предсказывала гравитация видимого вещества.
*   Эта аномалия наблюдалась не только в Андромеде, но и в других изученных галактиках [02:51].

Эксперимент Рубин поставил перед научным сообществом вопрос: что удерживает эти звезды от разлета, если видимой массы недостаточно для такой мощной гравитации?

## ⚖️ Измерение массы: Орбитальный метод против метода яркости
[[JUMP:03:03]]

Чтобы понять масштаб проблемы, физики используют два способа «взвешивания» космических объектов.

### Орбитальный метод
Этот метод основан на втором законе Ньютона и законе всемирного тяготения [04:09]. Измерив орбитальную скорость планеты и радиус её орбиты, можно вычислить массу центрального тела. Например, Солнце в 1000 раз тяжелее Юпитера и в 300 тысяч раз тяжелее Земли [05:40]. Аналогично ученые измеряют массу галактик, используя эффект Доплера для определения скорости звезд [06:32]. Свет от приближающихся звезд смещается в синюю область спектра, от удаляющихся — в красную [07:12]. 

### Метод яркости
Второй подход основан на связи между массой и светимостью [08:53]. Зная массу и яркость одного типичного объекта (например, фонарика или звезды), можно вычислить общую массу группы объектов, измерив их суммарное свечение [09:20]. Ученые учитывают расстояние до галактик и различия в типах звезд, чтобы скорректировать данные [10:37].

**Конфликт вычислений на примере галактики Треугольника [11:05]:**

1.  **Орбитальный метод** показал массу, эквивалентную **46 миллиардам Солнц**.
2.  **Метод яркости** показал массу всего в **7 миллиардов Солнц**.
3.  Разница в **39 миллиардов солнечных масс** ничем не светится и никак не проявляет себя, кроме гравитационного влияния [11:17].

Именно эту невидимую массу физики назвали «темной материей» [12:36].

## 🔭 Гравитационное линзирование: Подтверждение от Эйнштейна
[[JUMP:12:50]]

Дополнительным доказательством существования темной материи стала теория относительности Альберта Эйнштейна. Большие массы в космосе способны искривлять пространство-время, работая как линза для проходящего мимо света [13:03]. 

Это явление, известное как гравитационное линзирование, позволяет обнаруживать массу, даже если она абсолютно невидима [13:15]. В скоплении галактик Abell 2218 тонкие светящиеся дуги — это искаженные изображения далеких галактик, чей свет был преломлен огромными скоплениями темной материи [13:42]. На основе этих искажений физики строят подробные карты распределения невидимого вещества во Вселенной [14:07].

## 🧪 Гипотезы: Из чего состоит невидимое?
[[JUMP:14:33]]

Ученые выдвигали несколько версий о том, чем может быть темная материя, и последовательно исключали их:

*   **Планеты:** Если бы темная материя состояла из обычных планет, их должно было бы быть тысячи на каждую звезду (в нашей системе всего 8) [15:12]. Это крайне маловероятно.
*   **Коричневые карлики и черные дыры:** Эти объекты называют MACHO (Massive Compact Halo Objects). С помощью гравитационного линзирования малого масштаба ученые подсчитали их вклад — они составляют лишь малую долю темной материи [15:52].
*   **Черные дыры (дополнительно):** Расчеты по выбросам тяжелых элементов при взрывах звезд подтверждают, что масса черных дыр во Вселенной недостаточно велика для объяснения эффекта [16:32].

### Альтернатива: Модифицированная гравитация
Некоторые исследователи придерживаются радикального мнения: никакой темной материи нет, а наши законы гравитации неверны [17:11]. Они предлагают модифицировать теорию Эйнштейна так, чтобы она работала иначе на масштабах галактик [17:26]. 
Тем не менее, большинство физиков настроены скептически. По их мнению, вероятность существования темной материи близка к 100%, так как сразу несколько независимых линий доказательств сходятся в одной точке [18:44].

## ⚛️ WIMP и аксионы: Поиск новых частиц
[[JUMP:19:09]]

Наиболее популярная сегодня теория гласит, что темная материя состоит из новых, еще не открытых субатомных частиц.

1.  **WIMP (Вимпы):** Слабовзаимодействующие массивные частицы [19:37]. Они не взаимодействуют со светом и редко сталкиваются с обычной материей. По прогнозам, миллионы таких частиц проходят сквозь человеческое тело каждую секунду без всякого вреда [22:16].
2.  **Аксионы:** Сверхлегкие частицы, масса которых меньше, чем у электрона [20:05]. Однако экспериментальное «окно» для их обнаружения сейчас очень мало, что делает эту версию менее популярной [20:17].

Физики полагают, что на темную материю приходится около 90% массы каждой галактики [20:44]. Установление её природы будет означать открытие «новой физики», выходящей за пределы Стандартной модели [21:09].

## 🏗️ Сноу-Лаб: Поиск ответов под землей
[[JUMP:22:28]]

Поиск вимпов крайне сложен, так как они почти не вступают в контакт с окружающим миром. Чтобы уловить редкое столкновение вимпа с ядром атома, детекторы строят глубоко под землей для защиты от космических лучей [23:10].

В лаборатории **SNOLAB** в Онтарио (Канада) на глубине около 2 километров (6800 футов) проводятся уникальные эксперименты:

*   Ученые используют суперчувствительные детекторы вибраций.
*   Один из методов — использование геля с миллионами капель фреона. При столкновении с частицей темной материи капля превращается в газовый пузырек, создавая мини-взрыв, который фиксируют акустические датчики [24:15].

Несмотря на глобальные усилия (эксперименты в США, Европе, Японии и на Южном полюсе), частица темной материи до сих пор не зафиксирована [24:41]. Однако ученые сохраняют оптимизм. По мнению участников дискуссии, в ближайшие 10 лет мы можем вплотную подойти к разгадке этой тайны, что навсегда изменит наше понимание фундаментальных законов природы [25:33].