# Скрытая масса Вселенной: почему ученые ищут темную материю в шахтах на глубине 2 км

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=IAMfYp-LtBY
Канал: Perimeter Institute
Опубликовано: 24.08.2020

---

В 1960-х годах астрономия столкнулась с аномалией, которая перевернула представления о составе Вселенной: звезды на окраинах галактик двигались слишком быстро, вопреки законам Кеплера. Этот феномен привел к открытию «темной материи» — невидимой субстанции, которая в разы превышает массу обычного вещества. В образовательном фильме «The mystery of dark matter» от Perimeter Institute ученые объясняют, как измеряется масса космоса и почему поиски неуловимых частиц сегодня ведутся в глубоких шахтах на глубине двух километров.

## 🚀 Парадокс Веры Рубин и движение звезд
[[JUMP:01:26]]

До 1967 года физики полагали, что хорошо понимают устройство Вселенной [01:26]. Однако наблюдения Веры Рубин за галактикой Андромеды изменили всё. Она изучала движение звезд на периферии нашей соседки и ожидала увидеть закономерность, аналогичную Солнечной системе: чем дальше планета от Солнца, тем медленнее она движется по орбите.

*   В Солнечной системе скорость планет падает с удалением от центра масс [01:52].
*   В галактике Андромеды скорость звезд оставалась постоянной, независимо от их расстояния до центра [02:21].
*   Наблюдаемые скорости были значительно выше теоретически предсказанных [02:34].

Это открытие заставило ученых пересмотреть состав материи во Вселенной. Если звезды движутся с такой огромной скоростью и не разлетаются в стороны, значит, их удерживает гравитация чего-то невидимого, но очень массивного [02:46].

## ⚖️ Как взвесить Солнце и Галактики: орбитальный метод
[[JUMP:03:02]]

Если массу обычных предметов легко измерить весами [03:19], то для небесных тел используется «орбитальный метод», основанный на законах Ньютона. Массу Солнца можно вычислить, зная орбитальную скорость и радиус орбиты любой его планеты, например, Юпитера [03:31].

1.  Юпитер вращается со скоростью 13 км/с на расстоянии 780 млн км от Солнца [03:48].
2.  Используя второй закон Ньютона и закон всемирного тяготения, ученые выводят формулу связи массы и скорости [04:14].
3.  Расчеты показывают, что Солнце в 1000 раз тяжелее Юпитера и в 300 тысяч раз тяжелее Земли [05:30].

Этот же метод применим к целым галактикам, состоящим из сотен миллиардов звезд [06:07]. Чтобы узнать массу галактики Треугольника, астрономы измеряют скорость звезд на ее окраинах с помощью эффекта Доплера — изменения частоты света в зависимости от приближения или удаления объекта [06:33]. Измеренная скорость звезды в Треугольнике составила 123 км/с, что соответствует массе в 46 миллиардов Солнц [07:55].

## 💡 Метод яркости против орбитальных расчетов
[[JUMP:08:09]]

Существует второй независимый способ оценки массы — «метод яркости». Его можно сравнить с измерением веса стены, увешанной одинаковыми фонариками: зная яркость и массу одного фонарика и измерив общую светимость стены, можно вычислить общее количество приборов и их суммарный вес [08:52].

При применении этого метода к галактикам возникают сложности:

*   Удаленные галактики кажутся тусклее, но физики умеют корректировать это значение, зная расстояние [10:10].
*   Звезды не идентичны, однако существует четкая зависимость между светимостью звезды и её массой [10:37].

Когда ученые применили метод яркости к галактике Треугольника, результат оказался шокирующим: масса составила всего 7 миллиардов Солнц [10:50]. Орбитальный метод же давал 46 миллиардов. Разница в 39 миллиардов солнечных масс (более 85%) — это материя, которая обладает гравитацией, но не излучает свет [11:17]. Такую субстанцию назвали темной материей [12:26].

## 🌌 Гравитационные линзы: еще одно доказательство
[[JUMP:12:48]]

Теория относительности Эйнштейна предоставляет третье доказательство существования темной материи. Массивные объекты в космосе искажают пространство-время, работая как гигантские линзы [13:02]. Этот эффект называется «гравитационным линзированием».

*   Свет от далеких объектов искривляется, проходя мимо тяжелых скоплений материи [13:14].
*   Этот эффект проявляется даже если масса невидима [13:27].
*   На примере скопления галактик Abell 2218 ученые видят искажения, которые невозможно объяснить только видимым веществом [13:40].

На изображениях глубокого космоса темная материя часто распределена как невидимое «гало», выходящее далеко за пределы видимых звезд галактики [12:12].

## 🔎 Из чего состоит темная материя? Кандидаты и версии
[[JUMP:14:34]]

Ученые последовательно рассматривали и отвергали различные версии о составе этого загадочного вещества:

1.  **Планеты и астероиды:** В нашей системе Солнце составляет 99,9% массы [14:46]. Если бы темная материя состояла из планет, на каждую звезду должны были бы приходиться тысячи Юпитеров, что крайне маловероятно [15:12].
2.  **Коричневые карлики и черные дыры:** Эти объекты массивны и плохо светятся [15:38]. Однако микролинзирование и расчеты выбросов тяжелых элементов при взрывах звезд показывают, что они составляют лишь малую часть темной материи [16:29].
3.  **WIMP (Вимпы):** Гипотетические слабовибрирующие массивные частицы [19:34]. Они не взаимодействуют со светом и считаются фаворитами в научной среде [19:47].
4.  **Аксионы:** Сверхлегкие частицы массой меньше электрона [20:01]. Некоторые исследователи считают их потенциальными кандидатами, хотя модели на основе вимпов показывают более точные результаты при моделировании формирования галактик [20:14].

## 🧪 Подземные лаборатории и поиски частиц
[[JUMP:21:47]]

Поскольку темная материя не взаимодействует с электромагнитным спектром, она спокойно проходит сквозь планеты и человеческие тела — миллионы частиц ежесекундно [22:00]. Чтобы «поймать» редчайшие моменты столкновения вимпа с атомным ядром, ученые строят детекторы глубоко под землей для защиты от космических лучей [23:08].

Один из самых защищенных центров — **SNOLAB** в Онтарио (Канада), расположенный на глубине более двух километров в действующей шахте [23:21]. Здесь ученые используют перегретые жидкости (фреон) в форме капель. Если вимп сталкивается с ядром внутри капли, она превращается в пузырек газа, создавая микроскопический акустический всплеск, фиксируемый датчиками [24:01].

## 🛑 Альтернативный взгляд: модифицированная гравитация
[[JUMP:16:55]]

Не все физики согласны с существованием темной материи. Существует группа исследователей, которые полагают, что наши теории гравитации (Ньютона и Эйнштейна) просто не работают на масштабах целых галактик [16:55]. По мнению скептиков, вместо поиска скрытой массы нужно изменить математические уравнения физики [17:21].

*   Согласно этой точке зрения, аномальные скорости звезд свидетельствуют не о лишней массе, а об ошибке в законе всемирного тяготения [17:48].
*   Тем не менее, большинство физиков уверены в реальности темной материи почти на 100%, поскольку слишком много независимых данных подтверждают её наличие [18:42].

Разгадка этого секрета станет новой вехой в истории науки. По оценкам экспертов, понимание природы темной материи, составляющей 90% массы каждой галактики, фундаментально изменит наше видение Вселенной в ближайшие 10 лет [25:19].