В новом выпуске программы StarTalk астрофизик Нил Деграсс Тайсон и комедиант Чак Найс обсуждают с Кэтрин Фриз (Katherine Freese), директором Института теоретической физики имени Вайнберга при Техасском университете в Остине, одну из самых масштабных загадок современной науки. Речь идет о поиске частиц темной материи, «кардашьянской космологии» и амбициозных проектах по обнаружению невидимого вещества с помощью древних минералов.
🌌 Охота за «призраком»: почему ксенон стал дефицитом? 5:00
Большинство современных экспериментов по поиску темной материи используют огромные резервуары, заполненные тоннами жидкого ксенона . Ученые рассчитывают, что частица темной материи, пролетая сквозь Землю, столкнется с ядром атома ксенона, что вызовет детектируемый всплеск энергии.
Кэтрин Фриз отмечает несколько ключевых фактов об этих исследованиях:
- Масштаб прохождения: Ежесекундно через тело человека проходят миллиарды частиц темной материи, но из-за крайне слабого взаимодействия столкновение происходит примерно раз в месяц .
- Локация: Детекторы размещают глубоко под землей (например, под Апеннинскими горами в Италии), чтобы защитить их от космических лучей. На поверхности Земли на одну частицу темной материи приходится миллион космических лучей .
- Рыночный эффект: По словам Кэтрин Фриз, ксенон стал чрезвычайно дорогим, так как физики буквально скупили весь мировой запас этого газа для своих нужд .
🗿 Палео-детекторы: поиск темной материи в камнях 9:55
Вместо строительства гигантских резервуаров с ксеноном, Кэтрин Фриз предлагает использовать «палео-детекторы». Идея заключается в том, чтобы заменить огромный объем вещества колоссальным временем экспозиции .
Суть метода палео-детекторов:
- Материал: Исследователи ищут треки (микроскопические повреждения), оставленные частицами темной материи в кристаллах оливина .
- Глубина и возраст: Образцы должны быть добыты с глубины около 5 километров, где они были защищены от космических лучей на протяжении миллиарда лет .
- Дополнительные бонусы: Метод позволяет изучать не только темную материю, но и историю сверхновых в нашей галактике, анализируя треки от нейтрино, которые выглядят иначе, чем следы темной материи .
👗 «Кардашьянская космология» и расширение Вселенной 15:35
Обсуждая темную энергию, Кэтрин Фриз упомянула свой термин — «кардашьянская космология» (Kardashian cosmology). Это теоретическая модель, объясняющая ускоренное расширение Вселенной без введения «странной» темной энергии .
Основные тезисы обсуждения:
- Происхождение названия: Фриз ввела этот термин в 2002 году. По её словам, как и знаменитое семейство Кардашьян, эта модель «выглядит необычно», но состоит из обычного вещества (барионов и радиации), а её цель — ускоренная экспансия «злой империи» .
- Влияние извне: Теория опирается на идеи из теории струн, где наша Вселенная является трехмерной мембраной (браной) в многомерном пространстве. Расширение может быть вызвано влиянием соседних «бран» на нашу .
- Спор о переменах: Данные эксперимента DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) могут указывать на то, что темная энергия меняется со временем . Однако Кэтрин Фриз утверждает, что её совместная работа с Юнь Ван (Yun Wang) показывает: при более простом методе анализа данных доказательств изменения темной энергии недостаточно .
☀️ Тёмные звёзды: первые светила космоса 24:21
Одним из самых интригующих направлений работы Кэтрин Фриз является теория «тёмных звёзд». Вопреки названию, они состоят из обычного водорода и гелия, но работают не на термоядерном синтезе .
Характеристики тёмных звёзд по версии Фриз:
- Источник энергии: Аннигиляция частиц темной материи внутри звезды .
- Размеры и яркость: Они могут вырастать до миллиона масс Солнца и быть в миллиард раз ярче него .
- Температурный режим: Тёмные звёзды холодные, что позволяет им постоянно поглощать (аккрецировать) окружающее вещество, не «сдувая» его жаром, в отличие от обычных звезд .
- Кандидаты: Телескоп Джеймса Уэбба (JWST) уже обнаружил объекты, которые Кэтрин Фриз считает кандидатами в тёмные звёзды (так называемые «Маленькие красные точки» и «Синие монстры») .
🧪 Стратегия обнаружения: Сделай, Тряси или Ломай 37:21
Кэтрин Фриз выделяет три основных способа поиска вимпов (WIMPs — слабовизаимодействующих массивных частиц) :
- «Сделай это» (Make it): Попытки создать частицы темной материи на Большом адронном коллайдере (CERN) . О признаках их появления будет судить «недостающая энергия» в результатах столкновений протонов.
- «Тряси это» (Shake it): Прямое детектирование в подземных установках, где частица темной материи «встряхивает» ядро атома детектора (ксенона или кристалла) .
- «Ломай это» (Break it): Косвенное детектирование, основанное на поиске продуктов аннигиляции темной материи (например, нейтрино, которые ищет детектор IceCube на Южном полюсе) .
🌫️ Невидимые галактики и «уставший свет» 42:59
В завершение дискуссии участники обсудили структуру Вселенной. Кэтрин Фриз подтвердила возможность существования «чисто тёмных» галактик, состоящих только из темной материи и лишенных обычных звезд . Такие объекты невозможно увидеть напрямую, так как они прозрачны для света, но их можно обнаружить по гравитационному линзированию — искажению света далеких фоновых галактик .
Также Нил Деграсс Тайсон прокомментировал вопрос зрителя о «старении» света. По мнению Тайсона, гипотеза «уставшего света» (предполагающая, что фотоны просто теряют энергию в пути, имитируя красное смещение) несостоятельна, так как эффект расширения Вселенной подтверждается смещением спектральных линий элементов, что невозможно объяснить простой потерей энергии фотоном .
