Совсем недавно, в 2014 году, астрофизики Лиза Рэндалл и Мэтью Рис из Гарвардского университета предположили, что самые большие гравитационные возмущения Облака Оорта могут быть вызваны невидимым тонким диском экзотической темной материи. Астрономы считают, что темная материя — таинственная форма материи, которая взаимодействует только через силу гравитации — составляет около 85 процентов всей материи во Вселенной. Удивительно, но вся видимая материя, то есть планеты, звезды, туманности и галактики составляют всего 15 процентов от общего количества. Увидеть темную материю нельзя, но она искривляет пространство-время, как и обычная материя, хотя таковой, конечно, не является. Более того, она даже не может состоять из тех же частиц, что образуют все привычное нам, в противном случае, мы могли бы ее увидеть. Исследователи отмечают, что на каждый килограмм обычной материи, состоящей из нейтронов, протонов и электронов, приходится пять килограмм темной материи, состоящей неизвестно из чего. Но если это таинственная субстанция существует во всей Вселенной, можно ли обнаружить ее здесь, на Земле?
Темная материя не участвует в электромагнитном взаимодействии, а значит, не подлежит прямому наблюдению.
Гости из Облака Оорта
В 1997 году комета Хейла-Боппа заворожила землян, проходя через Солнечную систему. Эта небесная странница оказалась родом из далекого Облака Оорта – области, откуда появляются все кометы и которой окружена внешняя часть нашей Солнечной системы. Свое название это месторождение комет получило в честь Яна Оорта, необычного ученого который объяснил в 1932 году абсурдное несоответствие между видимой материей нашей Галактики и скоростью ее звезд.
Оорт заявил, что Млечный Путь заполняет неизвестный вид материи, которая никогда прежде не обнаруживалась ни в какой форме, ни здесь, на Земле, ни где-либо еще потому что она не взаимодействует со светом и недоступна прямому наблюдению. Эту таинственную субстанцию астроном назвал темной материей. Согласно его работе, видимые эффекты темной материи проявляются лишь косвенным путем через гравитацию, которая искривляет пространство-время. Интересно, что все проведенные с 30-х годов многочисленные эксперименты пришли к такому же выводу.
Комету Хейла-Боппа можно было наблюдать невооруженным глазом на протяжении долгих 18 месяцев. Она считается самой наблюдаемой кометой ХХ века, а возможно и за всю историю изучения космоса.
Итак, темной материи во Вселенной в пять раз больше, чем обычной. Но так как она не поддается прямому наблюдению, может быть стоит искать ее не вглядываясь в далекие галактики, а прямо здесь, на Земле (или хотя бы в пределах нашей Солнечной системы)?
Поиски темной материи
По мнению физика-теоретика Стивен Адлера из Института перспективных исследований в Принстоне, если масса Земли и Луны при измерении вместе кажется больше, чем их массы по отдельности, эту разницу можно объяснить ореолом темной материи между ними.
К такому выводу Адлер пришел частично после после изучения исследований, в которых массу Луны измерили с помощью лунных орбитальных аппаратов, а массу Земли с помощью геодезических спутников LAGEOS, которые находятся на орбите уже много лет. Лазеры, выпущенные по спутникам, показывают радиус орбиты каждого спутника и время, необходимое каждому для завершения этой орбиты. Исходя из таких измерений, ученые могут рассчитать гравитационное притяжение спутников и, следовательно, величину массы, которая это притяжение оказывает.
На этой иллюстрации показана Земля, окруженная теоретическими нитями темной материи, называемыми «волосками».
Затем Адлер изучил исследования, которые измеряли расстояние от Земли до Луны с помощью лазеров, отражающихся от лунных зеркал, установленных миссиями «Аполлон». Если Земля оказывает необычайно сильное притяжение на Луну, которая находится примерно в 384 000 километрах, чем на спутники LAGEOS, расположенные примерно в 12 300 километрах, дополнительное притяжение может быть связано с гало темной материи между Луной и искусственными спутниками.
«Основываясь на имеющихся данных о том, что между Землей и Луной находится не более 24 триллионов метрических тонн темной материи. Такое гало темной материи может объяснить аномалии, наблюдаемые на орбитах «Пионера», «Галилея», «Кассини», «Розетты» и космических аппаратов ближнего полета», – отмечает Адлер.
Адлер также предполагает, что темная материя может оказать драматическое воздействие на четыре газовых гиганта в нашей солнечной системе – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Если эти массивные миры гравитационно захватили темную материю, то частицы темной материи могут буквально врезаться в них – это редкие события, но достаточные, чтобы нагреть газовые гиганты и объяснить, почему внутренности этих планет (и даже Земли) кажутся более горячими, чем могут объяснить известные механизмы.
Темная материя присутствует повсюду во Вселенной. Так может она есть и на Земле?
Возможный нагрев планет темной материей также может оказаться ключом к разгадке неизвестных свойств вещества – например, как часто оно сталкивается с обычной материей или собирается ли темная материя вокруг звезд и планет, а не равномерно распространяется по галактике. Как пишет Scientific American, если частицы темной материи являются их собственными античастицами, как предполагают некоторые исследователи, энергия, выделяемая при их аннигиляции, будет нагревать планеты гораздо больше, чем просто столкновения с атомами. Такой сценарий подразумевал бы, что темная материя не может сильно сгущаться в нашей Cолнечной системе, иначе Cолнечная система была бы намного горячее.
Однако астрофизик Анника Питер из Калифорнийского технологического института скептически относится к тому, что темная материя изменяет тепло планет, говоря, что для этого потребуется «нереальное количество темной материи». А астроном Эндрю Гулд из Университета штата Огайо сомневается в том, что в солнечной системе скапливается много темной материи – он утверждает, что гравитационные взаимодействия с планетами должны в основном выбрасывать ее, точно так же, как они очистили большую часть первоначальной нормальной материи солнечной системы. Тем не менее, по мере того, как солнечная система бороздит галактику, она может накапливать дополнительную темную материю.
Так или иначе на данный момент существование любой темной материи в Солнечной системе остается столь же загадочным, как и ее присутствие повсюду. А как вы думаете, смогут ли ученые в ближайшем будущем найти темную материю и что принесет человечеству это открытие? Ответ будем ждать здесь, а также в комментариях к этой статье.
Яркие городские и природные пейзажи от Мэри Куинси