Астрономы ищут ответы на загадки мироздания в глубинах Вселенной, но часть важных разгадок может скрываться совсем рядом — в центре нашей галактики, Млечного Пути. Там явно происходит нечто до конца не объяснённое, а это — прямой путь к открытию неизведанного. Свою версию происходящего представили исследователи из Великобритании, которые готовы помочь в поиске тёмной материи.

Центр Млечного Пути, снятый инфракрасной камерой космического телескопа «Спитцер». Источник изображения: NASA

В ядре Млечного Пути — в так называемой Центральной молекулярной зоне (ЦМЗ) шириной от 650 до 1000 световых лет — давно зафиксированы два явления, которые до сих пор не получили полного объяснения. Во-первых, там наблюдается повышенная скорость ионизации молекулярного водорода, которого в центре галактики в избытке. Во-вторых, вся область ЦМЗ светится в рентгеновском диапазоне с энергией излучения 511 кэВ.

Обычно ионизацию — потерю атомом водорода электрона — объясняют вспышками сверхновых, космическими лучами и активностью сверхмассивной чёрной дыры. Но «цифры не сходятся»: область ионизируется необъяснимо быстро, как будто там есть некий скрытый источник.

Что касается рентгеновского излучения с энергией 511 кэВ — это энергия покоя электрона. Обычно излучение с такой энергией возникает после аннигиляции электрона и его античастицы — позитрона. В результате возникают два гамма-фотона, каждый с энергией 511 кэВ. Эта линия также равномерно фиксируется во всей области ЦМЗ. Первое и второе явления нельзя напрямую связать, но можно выдвинуть гипотезу, которая объясняет оба.

Учёные из Королевского колледжа Лондона (King's College London) провели моделирование, в котором допустили существование лёгкой формы тёмной материи. Модель не противоречит популярным космологическим гипотезам и объясняет наблюдаемые явления в центре Млечного Пути.

Экспериментально обнаружить тёмную материю в земных лабораториях сложно или невозможно — просто в силу фундаментальных свойств этой гипотетической частицы, которая лишена электромагнитного взаимодействия. Но наблюдение следов таких частиц в природе, в частности в центре Млечного Пути, могло бы приблизить нас к их открытию.

Такие частицы тёмной материи могут взаимодействовать со своими античастицами. В работе рассматривалось, что произойдёт, если эти лёгкие частицы тёмной материи столкнутся со своими античастицами в центре галактики и аннигилируют, образуя электроны и позитроны.

В плотном газе ЦМЗ эти низкоэнергетические частицы быстро теряли бы энергию и эффективно ионизировали бы окружающие молекулы водорода, выбивая из них электроны. Поскольку эта область очень плотная, частицы не могут распространяться далеко. Вместо этого они отдают большую часть своей энергии локально, что хорошо соответствует наблюдаемому профилю ионизации. Детальное моделирование показало, что предложенный механизм может объяснить как высокую скорость ионизации, так и линии излучения 511 кэВ.

В исследовании было показано, что прогнозируемый профиль ионизации, вызванной тёмной материей, удивительно ровный по всей центральной части Млечного Пути. Это важно, поскольку наблюдаемая ионизация действительно распределена относительно равномерно.

Точечные источники, такие как чёрная дыра в центре галактики или космические лучи от сверхновых, не могут объяснить подобного распределения. Но его может объяснить равномерно распределённое гало из тёмной материи. Полученные результаты позволяют предположить, что центр Млечного Пути может дать новые сведения о фундаментальной природе тёмной материи.

Физиков давно мучает вопрос: как наша Вселенная вообще могла развиться до звёзд, галактик и человечества? Согласно теории, во время Большого взрыва вещество и антивещество должны были возникнуть в равных количествах и аннигилировать. Однако этого не произошло, что привело к появлению наблюдаемой нами Вселенной. Антиматерия почти исчезла из нашего мира, а обычное вещество осталось и сформировало всё осязаемое в нём. Так что же пошло не так?

Источник изображения: ИИ-генерация DALL·E 3/3DNews

Согласно общепринятым теориям и многочисленным экспериментальным данным, материя и антиматерия отличаются исключительно знаками заряда. Соответственно, они подчиняются так называемой CP-симметрии (комбинированной чётности). Проще говоря, если во всей Вселенной поменять заряд всех частиц и инвертировать их пространственные координаты — своего рода создать зеркальную Вселенную из антиматерии, — то законы физики не изменятся. Однако это верно лишь в том случае, если частицы и античастицы различаются исключительно знаком заряда. И всё же такое объяснение не учитывает отсутствие антиматерии в наблюдаемой Вселенной.

Если же обнаружить признаки нарушения CP-симметрии, это могло бы объяснить, почему материи и антиматерии оказалось не поровну и какие ещё, пока скрытые от нас, отличия существуют между ними.

Признаки нарушения CP-симметрии у мезонов (фермионов) впервые были обнаружены в 1964 году, за что в 1980 году была присуждена Нобелевская премия по физике. Однако для барионов, составляющих подавляющее большинство видимой материи во Вселенной (в первую очередь нейтронов и протонов), такие признаки до недавнего времени не фиксировались. Их обнаружение стало бы решающим шагом к объяснению «несимметричной» Вселенной.

Так было до конца марта 2025 года, когда ЦЕРН официально объявил о получении статистически значимых доказательств нарушения CP-симметрии для частиц семейства барионов. Физики коллаборации LHCb изучили данные первых двух циклов экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК). Они искали различия в скорости распада частиц и античастиц, таких как прелестные лямбда-барионы (Λb). Если бы эти частицы были идентичны во всём, кроме знака заряда, то отличий в их распаде не наблюдалось бы.

Исследователи проанализировали 80 тысяч распадов, зафиксированных во время запусков БАК в период с 2009 по 2018 год. В результате была обнаружена разница в 2,45 % между распадами материи и антиматерии. Это составляет 5,2 стандартных отклонения (сигма), что является достаточно значимым расхождением, чтобы признать наблюдение нарушения CP-симметрии научным открытием.

«Причина, по которой потребовалось больше времени для обнаружения нарушения CP-симметрии у барионов по сравнению с мезонами, заключается в размере эффекта и объёме доступных данных, — пояснил представитель коллаборации LHCb Винченцо Ваннони (Vincenzo Vagnoni). — Нам была необходима установка вроде Большого адронного коллайдера, способная производить достаточное количество прелестных барионов и их античастиц, а также эксперимент, позволяющий точно определить продукты их распада».

«Чем больше систем, в которых мы наблюдаем нарушение CP-симметрии, и чем точнее измерения, тем больше у нас возможностей для проверки Стандартной модели и поиска физики за её пределами», — добавил учёный.

18 марта 2025 года Европейское космическое агентство опубликовало первый пакет данных наблюдений космической обсерватории «Евклид», получившей прозвище охотника за тёмной материей. Данные включают три глубоких обзора неба, проведённые за первую неделю наблюдений, общей площадью 63,1 квадратного градуса. Учёные назвали их «золотой жилой» для начала охоты за тайнами Вселенной, включая главные — поиск тёмной материи и разгадку тайны тёмной энергии.

Жёлтые мазки на данных по Млечном Пути — это первые глубокие обзоры «Евклида». Ниже фото обзоров. Источник изображения: ESA

Запущенный в космос в июле 2023 года, «Евклид» (Euclid) начал научную работу в феврале 2024 года. Первая публикация включила данные, собранные за первую неделю наблюдений: это три глубоких обзора небольших участков неба общей площадью 63,1 квадратного градуса. Это всего 0,4 % от будущего полного обзора, который охватит треть всего неба и продлится до 2030 года. Однако даже этих, казалось бы, скромных данных хватит на множество серьёзных открытий в астрономии.

Глубокие обзоры трёх первых участков неба — двух в южной части нашей галактики и одного в северной — вобрали в себя 380 000 классифицированных галактик, 500 новых кандидатов в гравитационные линзы и множество других космических объектов, таких как скопления галактик и активные ядра галактик.

Впервые для поиска наиболее перспективных объектов для дальнейшего наблюдения был использован искусственный интеллект, что резко сократило время отбора кандидатов и, соответственно, время проведения научных работ. Отобранные ИИ кандидаты затем передавались гражданским учёным — волонтёрам, которые на добровольной основе классифицировали объекты, экономя тем самым время и ресурсы профессиональных исследователей.

Первые элементы будущего атласа «Евклида» уже послужили основой для публикации десятков научных работ, включая исследование, посвящённое обнаружению идеального кольца Эйнштейна. Это явление возникает в результате гравитационного линзирования, когда удалённый объект и массивная галактика или скопление галактик, действующие как гравитационная линза, находятся на одной линии с наблюдателем (в данном случае с «Евклидом»).

«Евклид» стал первым космическим телескопом, поставившим обнаружение гравитационных линз на поток. Почти все из 500 найденных им гравитационных линз оказались новыми. К концу наблюдений ожидается, что обсерватория обнаружит 100 000 гравитационных линз — в 100 раз больше, чем известно сегодня.

Обсерватория заглядывает в глубины Вселенной на 10,5 млрд лет назад во времени. На всей этой дистанции она выявляет особенности строения галактик. Форма или морфология галактик — расположение и вид рукавов, типы скоплений звёзд и другие детали — позволяют оценить распределение тёмной материи вокруг каждой из них. В то же время скопления и расположение галактик в системе космической паутины определяются внешним влиянием тёмной материи.

Оба этих фактора — внутренний и внешний — формируют вид галактик и их взаимное размещение. Сегодня мы не можем с уверенностью сказать, что такое тёмная материя. Однако скрупулёзно собранные «Евклидом» данные обещают помочь в разгадке этой тайны. Невидимое проявится через его глобальное воздействие на видимое вещество.

Фрагмент одного из участков с увеличением в 70 раз

Похожая ситуация складывается и с тёмной энергией. Какая-то сила заставляет несвязанные гравитацией галактики разлетаться друг от друга с ускорением. Что именно их расталкивает — остаётся загадкой. «Евклид» также поможет установить самые строгие ограничения на эту невидимую силу, создав наиболее точный набор данных о множестве галактик на огромной глубине.

Пример ряда классифицированных галактик из первого обзора

Работа с первыми данными обсерватории уже началась. В 2026 году ожидается публикация отчёта за первый год работы «Евклида», который включит 2 Пбайт данных. Сегодняшний обзор на этом фоне может показаться скромным — всего 35 Тбайт, но это информация лишь за одну неделю наблюдений. Над каждым из уже пройденных участков неба «Евклид» пройдёт от 30 до 50 раз, каждый раз повышая разрешение и улучшая качество снимков. К 2030 году это будет самый полный и подробный каталог галактик, равных которому нет и, вероятно, ещё долго не будет.

Учёные провели интересный эксперимент по получению новой фазы вещества — сверхтекучего твёрдого тела (Supersolid). Но самое ценное в этом исследовании — то, что вещество было получено путём превращения в него лазерного луча. Ранее в состояние сверхтекучего твёрдого тела учёные переводили более материальные субстанции, например газы. Со светом такой эксперимент проведён впервые, что может дать новые подсказки в поиске ответов о сущностях квантового мира.

Источник изображения: ИИ-генерация Grok 3/3DNews

Состояние сверхтекучего твёрдого тела представляет собой сочетание твёрдых свойств с характеристиками сверхтекучей жидкости. Обычно такие состояния наблюдали у сверхохлаждённого гелия. Молекулы газа располагались в подобии кристаллической решётки, что позволяет относить supersolid-состояния к кристаллическим. В общем случае такие материалы характеризуются отсутствием вязкости, что также было подтверждено в эксперименте.

Чтобы создать сверхтекучее твёрдое вещество, исследователи направили лазер на пластину арсенида галлия, на которой были нанесены специальные бороздки. Когда свет попадал на эти бороздки, взаимодействие между ним и материалом приводило к образованию поляритонов — особых гибридных частиц, которые удерживались в бороздках заранее заданным образом. Это заставляло поляритоны выстраиваться в кристаллическую структуру и, таким образом, проявлять свойства сверхтекучего твёрдого тела, о чём учёные рассказали в свежем выпуске журнала Nature.

Источник изображения: Nature 2025

Группа исследователей планирует продолжить работу с новой фазой вещества, созданной из света, чтобы глубже изучить его структуру. Учёные отмечают, что новое состояние вещества, сформированное из света, может быть проще в исследовании, чем материалы, состоящие из атомов. Это, в свою очередь, поможет лучше понять природу материи в целом.

Искать тёмную материю — это как искать чёрную кошку в тёмной комнате, особенно если её там нет. Но тёмная материя, похоже, всё же существует во Вселенной, какой бы она там ни была. И теперь учёные установили самые строгие ограничения на время её существования. Ведь в науке, даже не обнаружив чего-то, можно сделать далеко идущие выводы. Например, какова частота распада тёмной материи или сколько она может прожить во Вселенной.

У тёмной материи свой спектр, что даёт шанс её обнаружить. Источник изображения: Tokyo Metropolitan University

Открытие сделала команда учёных из Токийского столичного университета (Tokyo Metropolitan University). Они впервые скомбинировали модели тёмной материи и наблюдения с помощью самых современных спектрометров. Учёные сосредоточились на поиске лёгкой версии тёмной материи — так называемых ALP-частиц или аксионоподобных частиц. Это одни из многообещающих кандидатов на роль тёмной материи, модели которых хорошо проработаны.

Одним из ожидаемых свойств ALP-частиц считается спонтанный распад с испусканием света (фотонов). Учёные исходили из того, что спектр света от распада ALP-частиц будет несколько отличаться от обычного спектра, например, от рассеянного зодиакального света или от свечения нагретой Солнцем атмосферы Земли. Это ближний инфракрасный диапазон, в котором ALP-частицы после распада должны испускать характерные спектры. Проблема в том, что ближний инфракрасный свет перегружен помехами.

Учёные из Японии разработали методику наблюдения, которая в сочетании с новейшими спектрографами ближнего инфракрасного диапазона могла бы помочь находить узкие спектры, сопровождающие распад ALP-частиц. Исследователи воспользовались спектрографом WINERED на 6,5-м телескопе Magellan в Чили. В будущем они надеются получить доступ к спектрографам космического телескопа Джеймс Уэбб. Они собирали свет от двух карликовых галактик-спутников Млечного Пути: Leo V и Tucana II. Анализ не выявил признаков распада частиц тёмной материи (ALP-частиц), зато позволил установить ограничения на нижний порог продолжительности её жизни или на верхнюю частоту распада.

Новая и самая строгая на сегодня нижняя граница жизни ALP-частиц в секундах — это 10 с 25–26 нулями, или от 10 до 100 миллионов раз больше возраста Вселенной. И хотя каждая отдельная частица тёмной материи может жить, как кажется, вечно по сравнению с Вселенной, по законам квантовой физики они всё же распадаются, а это шанс обнаружить их присутствие и закрыть вопрос столетия в астрофизике.

Получение первых экспериментальных доказательств существования бозона Хиггса около десяти лет назад позволило сделать новый шаг в понимании устройства Вселенной. Бозон Хиггса перестал быть гипотезой, и на этом основании можно продолжить строить наши знания об окружающем нас мире. Например, попытаться обнаружить гипотетическую частицу тёмной материи, для которой бозон Хиггса может оказаться единственным мостиком между видимым и невидимым веществом.

Художественное представление о тёмной материи. Источник изображения: Axel Mellinger, Central Michigan University

Так, на сайте препринтов arXiv появилась статья, которая отказывает гипотетическим частицам тёмной материи в возможности быть слишком тяжёлыми. Учёные обоснованно доказывают невозможность такого развития событий, опираясь на недавнее открытие бозона Хиггса. До получения твёрдых свидетельств его существования особого смысла в дальнейшем поиске не было, но теперь этот путь открыт. До сих пор учёные искали частицы тёмной материи в диапазоне масс 10–1000 ГэВ (гигаэлектронвольт). Это укладывалось в рамки Стандартной модели элементарных частиц и помещало частицу тёмной материи в один ряд по массе с топ-кварками и W-бозонами — самыми тяжёлыми из известных элементарных частиц.

Открытие в 2012 году на Большом адронном коллайдере бозона Хиггса с массой около 125 ГэВ позволило наложить фундаментальные ограничения на массу предполагаемых частиц тёмной материи. Большинство моделей предполагает (и это согласуется с рамками Стандартной модели), что в процессе взаимодействия с частицами бозон Хиггса придаёт им массу и изменяет собственную. Это означает, что слишком тяжёлые частицы тёмной материи оказали бы настолько разрушительное воздействие на бозон Хиггса, что это разрушило бы все наши устоявшиеся представления об устройстве Вселенной.

Сверхтяжёлые частицы тёмной материи можно было бы допустить лишь в случае их полной изоляции от взаимодействия с бозоном Хиггса и, следовательно, с видимым веществом, а также при наличии какого-либо экзотического механизма взаимодействия. Всё это заставляет отклонить путь поиска сверхтяжёлых частиц тёмной материи как маловероятный и направить поиски в сторону лёгких кандидатов, например, аксионов.

Тёмная материя стала необходимой для объяснения загадок Вселенной — ускоренного вращения звёзд вокруг центров галактик и движения галактик в скоплениях вокруг общего центра масс. Очевидно, что вокруг нас происходит нечто необъяснимое с позиций современных знаний об устройстве мира. Учёные подозревают, что в мире существует материя, которая очень слабо и редко взаимодействует с видимой материей исключительно гравитацией. Она заставляет обычное вещество собираться быстрее и влияет на эволюцию Вселенной. С поиском тяжёлых кандидатов на эту роль не сложилось, поэтому учёные теперь сосредотачиваются на поиске лёгких частиц.

Учёные уверяют, что от открытия тёмной материи нас отделяют считанные секунды. Подвох в том, что обнаружить её можно в строго заданных условиях и только с помощью одного инструмента — гамма-телескопа «Ферми». Неизвестными остаются место и время, куда и когда необходимо направить этот инструмент. Это как сыграть в лотерею с шансами выиграть 1 к 10. Но можно «сжульничать» и добиться нужного результата.

Остатки последней близлежащей сверхновой, взорвавшейся в феврале 1987 года. Источник изображения: NASA

Искать учёные предлагают аксионы — гипотетические частицы, предложенные ещё в 70-х годах прошлого века для устранения ряда противоречий в физике элементарных частиц. Позже оказалось, что аксионы подходят на роль тёмной материи. Они не имеют заряда и обладают крайне малой массой — в миллиарды раз легче электронов. Одно из предсказанных свойств аксионов — это их распад в сильном магнитном поле с испусканием фотонов. Именно по этому признаку аксионы пытаются искать в лабораторных условиях. Однако таких энергий, как в космосе, в лаборатории создать невозможно. Поэтому учёные надеются обнаружить аксионы в природных условиях Вселенной.

Перспективными источниками аксионов считаются нейтронные звёзды. Частицы могут рождаться в невероятно мощном гравитационном поле этих объектов, а сильнейшее магнитное поле звёзд создаёт подходящую среду для распада аксионов. В одной из предыдущих работ астрономы предлагали искать слабое добавочной свечение нейтронных звёзд как признак окружающего эти объекты облака из аксионов.

В новой работе учёные из Калифорнийского университета в Беркли (University of California, Berkeley) заявляют, что наилучший момент для обнаружения аксионов — это взрыв ближайшей к Земле сверхновой. Не нужно ждать, пока сверхмассивная звезда на исходе своей жизни коллапсирует до состояния нейтронной. Расчёты показывают, что в первые 10 секунд взрыва будет выброшено множество аксионов. Это позволит решить проблему тёмной материи и раскрыть ряд других загадок космологии. Сегодня подобное событие и частицы способен уловить космический гамма-телескоп «Ферми». Главная проблема в том, что он должен быть направлен на сверхновую в момент её рождения, а шансов на это немного.

Схема предложенного эксперимента по поиску аксионов

Близкие к Земле сверхновые появляются нечасто — примерно раз в 50 лет. Одна такая вспыхнула в 1987 году. Следующая сверхновая может появиться в любой момент. Вопрос с тёмной материей и аксионами можно решить быстро и навсегда, но только если заранее подготовиться. Учёные считают, что для этого стоит вывести в космос флот небольших гамма-телескопов, которые обеспечат 100-процентное покрытие неба. Тогда первая же близкая сверхновая предоставит достоверные данные о существовании аксионов и их массе (энергии).

Мы можем потратить десятилетия на раскрытие загадки тёмной материи или найти решение за 10 секунд. Даже отрицательный результат будет полезен, наложив ограничения на массу гипотетических частиц и значительно продвинув физику вперёд.

Примерно 60 лет назад начала оформляться теория тёмной материи как нерегистрируемого вещества, играющего главную роль в зарождении объектов во Вселенной. Согласно принятой в космологии модели лямбда-CDM, звёзды и галактики на заре времён образовались благодаря «кучкованию» тёмной материи и концентрации вещества вокруг её сгустков. Альтернативной теорией стала модель MOND с переменной гравитацией. «Уэбб», говорят сторонники MOND, играет на их стороне.

Источник изображения: NASA

Инфракрасная обсерватория им. Джеймса Уэбба далеко заглянула в раннюю Вселенную. Согласно модели Лямбда-CDM, первые галактики начали оформляться через 300–400 млн лет после Большого взрыва. В их формировании (и в зарождении звёзд) ключевую роль сыграла тёмная материя, благодаря которой обычное вещество собралось вместе и под действием гравитации сначала породило звёзды, а потом галактики, скопления галактик и сверхскопления галактик.

Если бы эта теория была верна, говорят сторонники модели MOND (Модифицированная ньютоновская динамика), то «Уэбб» увидел бы в ранней Вселенной слабые и тусклые галактики, которые превратились бы в яркие объекты намного позже — через миллиард и более лет после Большого взрыва. Вместо этого «Уэбб» раз за разом находит на рубеже 500–900 млн лет после Большого взрыва большие, яркие и развитые галактики, похожие, например, на Млечный Путь. Такое может объяснить только модель MOND, в которой не предусмотрен «костыль» в виде тёмной материи.

Чтобы подтвердить это, один из давних сторонников MOND — американский учёный Стейси Макго (Stacy McGaugh), провёл моделирование с учётом собранных «Уэббом» данных. Модель просчитала процесс роста множества галактик с учетом лямбда-CDM и MOND. Расчёт показал, что модель лямбда-CDM не смогла предсказать рост галактик до наблюдаемых «Уэббом», а MOND справилась с этой задачей ощутимо лучше. По мнению учёного, это доказывает, что поиски тёмной материи — пустое дело. Необходимо искать признаки MOND — изменений гравитации в зависимости от скоростей объектов.

Франко-швейцарская группа учёных попыталась на фактическом материале проверить верность уравнений Эйнштейна, описывающих Вселенную. Для этого они воспользовались данными обзора Dark Energy Survey за первые три года наблюдений. Анализ влияния 100 млн галактик на пространство-время дал отклонения от предсказаний Эйнштейна на 3 сигма, чего недостаточно для открытия, но хватило для зарождения сомнений в верности уравнений великого учёного.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

Как предсказал в 1915 году Эйнштейн, гравитация — это нечто большее, чем сила всеобщего тяготения, о чём говорил Ньютон и его законы. В 1919 году в ходе прямого измерения отклонения света звёзд Солнцем (его гравитацией) уравнения Эйнштейна были подтверждены наблюдением. С тех пор только ленивые учёные не пытаются опровергнуть Альберта Эйнштейна, который ввёл в метрику гравитации искажение не только пространства, но и времени. Пока уравнения Эйнштейна, являющиеся частью Общей теории относительности, остаются незыблемыми.

Исследователи из университетов Женевы (UNIGE) и Тулузы (III университет имени Поля Сабатье) воспользовались первыми данными обзора Dark Energy Survey, чтобы проверить уравнения Эйнштейна с помощью наблюдений за 100 млн галактик. Данные получены по объектам на удалении 3,5, 5, 6 и 7 млрд лет назад. По словам учёных, это первый анализ данных о влиянии масс галактик одновременно на пространство и время.

Согласно теории Эйнштейна, материя создаёт искривление пространства-времени тем больше, чем больше масса. Обычно это иллюстрируют помещением тяжёлого шара на эластичную поверхность, которую тот продавливает тем сильнее, чем он тяжелее — это принято называть гравитационными колодцами. Следует лишь помнить, что материя искажает пространство во всех направлениях в трёх измерениях, поэтому колодец на самом деле — это, скорее, шар или шарообразный объём в пространстве-времени. Но это детали. Из уравнений Эйнштейна можно рассчитать, насколько свет преломится — произойдёт гравитационное линзирование, когда он минует скопления масс. И если в этих расчётах появится отклонение от наблюдаемых, то Вселенная может оказаться совсем не такой или не везде такой, как предсказывал Эйнштейн.

Из данных Dark Energy Survey учёные вывели, что на удалении 6 и 7 млрд лет от нас уравнения Эйнштейна, можно сказать, безупречны. На удалении 3,5 и 5 млрд лет от нас появились отклонения между наблюдениями и расчётами. Отклонения составили 3 сигма, тогда как значимым результатом принято считать отклонения в 5 сигма. По мнению исследователей, существенные отклонения результатов наблюдений от предсказаний заставляют усилить интенсивность работ на этом направлении. Отличия стали наблюдаться на этапе, когда Вселенная начала ускоренно расширяться. «Гравитационные колодцы» на этом отрезке стали мельче — гравитация стала слабее проявлять себя.

За ускоренное расширение Вселенной отвечает тёмная энергия — неизвестная субстанция или свойство Вселенной, а может быть, даже, гравитация, раз изменения начали наблюдаться в связи друг с другом. Уравнения Эйнштейна описывают нашу Вселенную (Вселенная Фридмана) и любые другие версии Вселенных. Обнаружение в них изъяна стало бы открытием огромного значения и помогло бы ответить на много вопросов об устройстве мироздания.

Известно, что потерянные ключи удобнее всего искать под фонарём, а не там, где их потеряли. Примерно так можно охарактеризовать метод поиска тёмной материи, предложенный физиком Политехнического университета Виргинии (Virginia Tech) Всеволодом Ивановым. Учёный разработал методику обнаружения следов тёмной материи в земных породах возрастом миллиарды лет без ускорителей, космических телескопов и других приборов наблюдения за Вселенной.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

Следы тёмной материи можно найти в земной лаборатории в комфортных, в общем-то, условиях. Как под пресловутым фонарём. Строго говоря, эта идея палеодетектирования возникла лет сорок назад. Но тогда её было невозможно реализовать в виде эксперимента. Учёные предположили, что на этапе формирования Земли её породы, так или иначе, взаимодействовали с тёмной материей. Следует сразу сказать, что таким образом исследователи намерены искать следы гипотетической частицы вимп (WIMP).

Вимпы, если они существуют в природе как воплощение тёмной материи, взаимодействуют с материей гравитацией и слабым ядерным взаимодействием. Именно последнее даёт шанс обнаружить следы вимпов. При взаимодействии с материалами земных пород на этапе формирования нашей планеты вимпы оставили бы след в их кристаллических решётках, создавая в них характерные дефекты. Эти дефекты можно попытаться выявить с помощью визуализации и 3D-моделирования. Наиболее перспективным методом оказался метод микробиологической визуализации, которая используется для моделирования мельчайших деталей нервной системы животных.

Ещё одной проблемой стала радиация. Древние породы сильно фонят, создавая сигналы, которые маскируют потенциальные следы взаимодействия тёмной материи с атомами и ядрами пород. Чтобы обойти эту трудность учёные предложили исследовать слаборадиоактивные осадочные породы галиты. К таким породам, например, относится обычная каменная соль.

«Команда уже приступила к созданию 3D-изображений треков частиц высокой энергии в синтетическом фториде лития. Из этого искусственного кристалла не получится хорошего детектора тёмной материи, но он поможет установить полный спектр сигналов, сохранив кристалл неповрежденным», — сказал Патрик Хубер (Patrick Huber ), физик из Virginia Tech.

Новая работа международной группы астрономов привела к сенсационному выводу: наука до сих пор имела в корне неправильное представление о природе тёмной материи. Большинство моделей тёмной материи предполагает, что она взаимодействует с обычным веществом лишь в пределах гравитации. Наблюдение за шестью сверхкомпактными карликовыми галактиками недалеко от нас показало, что тёмная материя ещё как-то воздействует на вещество.

Симуляция распределения тёмной и обычной материи. Источник изображения: Коллаборация TNG

Невидимой в космосе может быть и обычная материя. Особенность тёмной материи в том, что она никак не взаимодействует с электромагнитным излучением: не поглощает, не отражает и не рассеивает его. Поэтому тёмную материю нельзя обнаружить ни в одном диапазоне, доступном земной науке. Только гравитация больших облаков тёмной материи помогает заподозрить её присутствие в пространстве — она преломляет проходящий рядом свет, как линза.

Но для эволюции Вселенной, галактик и всего остального материального мира тёмная материя необходима, как воздух человеку. Во времена младенчества Вселенной она инициировала концентрацию вещества и способствовала рождению сначала звёзд, а затем галактик. Тёмная материя присутствует повсеместно, но это не делает её легко обнаруживаемой. Однако теперь появился шанс поискать внимательнее. Новое наблюдение заставляет предположить, что тёмная материя взаимодействует с обычным веществом каким-то иным способом, помимо гравитации.

Учёные провели детальный обзор шести сверхкомпактных карликовых галактик, соседствующих с Млечным Путём. Поскольку масса этих галактик была явно больше, чем масса обнаруживаемых в них звёзд, это указывало на присутствие в них тёмной материи. Идея заключалась в том, что расположение звёзд в галактиках будет различаться в зависимости от того, взаимодействуют они с тёмной материей только через гравитацию или также каким-то другим, неизвестным нам способом.

Разница в распределении звёзд по галактике в случае наблюдения (обозначено синим) и если бы тёмная материя никак кроме гравитации не воздействовала на вещество (оранжевым)

Если бы тёмная материя воздействовала на звёзды исключительно посредством гравитации, часть звёзд собралась бы в центре галактик плотной группой, а на периферии наблюдалось бы значительное разрежение. Однако, если бы тёмная материя и обычное вещество испытывали дополнительное воздействие друг на друга, звёзды распределились бы более равномерно по всему диску галактики. В этом случае что-то могло бы препятствовать их скапливанию ближе к центру. Наблюдения за реальными галактиками как раз и показали, что звёзды распределились по галактикам равномерно. Иначе говоря, тёмная материя воздействует на обычное вещество не только посредством гравитационного притяжения.

Это открытие даёт основание для разработки экспериментов по обнаружению других видов взаимодействия тёмной и обычной материи, помимо гравитации. Не исключено, что ранее эта возможность не рассматривалась всерьёз большинством учёных, и в этом направлении работали лишь энтузиасты. Теперь появилась интрига, которая способна разжечь интерес научного сообщества к поиску ответов на загадки тёмной материи в новом направлении.

Тёмная материя проявляет себя лишь в гравитационном взаимодействии, что делает её невидимой в электромагнитном спектре. Можно ли раскрыть её секреты, не получая данных о тёмном веществе напрямую? В этом могут помочь пульсары, уверены учёные. Радиоволновые импульсы от этих природных часов распространяются по кривизне пространства-времени и реагируют на гравитационные возмущения от сгустков тёмной материи.

Художественное представление пульсара. Источник изображения: NASA Goddard/Walt Feimer

Исследователи из Университета Нотр-Дам (США) изучили 65 пульсаров из каталога Parkes Pulsar Timing Array, данные по которым собирает одноимённая радиообсерватория в Австралии. Идея заключалась в том, что искривление пространства-времени под воздействием сгустка тёмной материи внесёт задержку в радиоимпульс какого-либо пульсара. Эту задержку длительностью в несколько наносекунд мы можем измерить с использованием атомных часов на Земле и собранных данных о пульсарах, которые служат своеобразными маяками во Вселенной и невообразимо точны для нашего масштаба времени.

Пульсары — это нейтронные звёзды, ядра умерших массивных звёзд, многократно больше нашего Солнца. Если они при осевом вращении направляют полюса в сторону Земли, то мы фиксируем радиоимпульс от выброса энергии. Массы вещества на пути радиоимпульсов — обычного и тёмного — искривляют пространство-время и делают путь радиолуча длиннее, как если бы он двигался не по прямой, а по окольному пути. В приходе импульса возникает задержка, которая позволяет судить о массе, вызвавшей возмущение пространства-времени. И если в том месте пространства нет видимого объекта, например, звезды или скопления звёзд, то там может скрываться невидимая тёмная материя.

В данных о 65 пульсарах учёные обнаружили 12 обнадёживающих аномалий, которые указывали на изменения и задержки во времени пульсаров, ранее зафиксированные радиотелескопом. Земля, Солнце и пульсары очевидным образом постоянно движутся в пространстве, создавая всё новые и новые условия для наблюдений. Все изменения в длительности импульсов пульсаров создают образ пространства-времени между этими объектами, который учёные пытаются расшифровать.

Визуализация гравитационных волн, производимых сверхмассивными чёрными дырами. Источник изображения: nanograv.org

Данная работа имеет также другое значение. Примерно год назад впервые была подтверждена регистрация низкочастотных гравитационных волн — своеобразной ряби пространства-времени во Вселенной. Это почти как решётка пространства-времени, которая как и реликтовое излучение может дать информацию о процессах вскоре после Большого взрыва и более поздних. Данные о задержках сигналов пульсаров могут помочь исключить гравитационный шум — помехообразующее воздействие тёмной материи на эту рябь, что повысит точность измерений других явлений, таких как слияние чёрных дыр на заре Вселенной и процессы с первичными чёрными дырами.

Группа британских учёных обосновала возможность обнаружения частиц тёмной материи на Земле в лабораторных условиях. Для этого они рассмотрели модель квантового детектора и усилителя, охлаждённых жидким гелием-3. До сих пор частицы тёмной материи искали в диапазоне от 5 до 1000 масс атомов водорода. Британская установка поможет обнаружить кандидатов в тёмную материю в диапазоне от 0,01 до нескольких масс атома водорода.

Источник изображения: Lancaster University

Искать невидимую и не обнаруживаемую в электромагнитном спектре частицу тёмной материи можно по её взаимодействию с обычной материей. Но это будет крайне слабое взаимодействие, которое, как показывает моделирование, доступно для детектирования датчиками с квантовыми состояниями. Чрезвычайная чувствительность установки будет достигнута за счёт трёх факторов: охлаждения гелием-3 в сверхтекучем состоянии, самого датчика и квантового усилителя сигнала. Расчёты показывают, что установка сможет обнаружить частицы-кандидаты в тёмную материю вплоть до 0,01 масс атома водорода.

Более того, предложенная схема эксперимента может позволить найти ещё более лёгкого кандидата в частицы тёмной материи — аксион. Аксионы должны быть в миллиард раз легче атомов водорода и поэтому их поиск ведётся по иной программе. Предполагается, что в сильном электромагнитном поле аксионы распадаются на фотоны, которые можно детектировать привычными средствами и затем усиливать этот сигнал.

С учётом теоретической плотности расположения тёмной материи во Вселенной и вокруг нас, через наши тела ежесекундно пролетают триллионы частиц этой невидимой субстанции. Не нужно лететь в глубины Вселенной для поиска тёмной материи. Просто подождём, и она сама попадёт в сети учёных. С «сетями» пока проблема. Возможно, в этом поможет создаваемая в Великобритании установка с охлаждёнными квантовыми детекторами.

Тёмная материя — гипотетическая частица, обладающая только гравитационным взаимодействием, — призвана заполнить пробелы в наблюдениях Вселенной, когда звёзды и материя в целом ведут себя неправильно с позиций измеряемых масс: ускоряются на периферии галактик и преломляют свет без видимого присутствия вещества. Альтернатив у тёмной материи тоже немало, но новая гипотеза может удивить — она отвязывает массу от гравитации, объясняя всё дефектами в пространстве-времени.

Источник изображения: NASA/JPL-Caltech

Некоторое время назад в престижном астрономическом журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society вышла работа доктора Ричарда Лью (Richard Lieu) из Университета Алабамы в Хантсвилле (США), в которой он предложил достаточно свежую гипотезу наблюдаемых несоответствий. Учёный представил не до конца проработанный математический аппарат, который, как он пояснил, выдвигает на роль тёмной материи топологические дефекты или складки пространства-времени, возникшие из-за неоднородностей Вселенной во время фазового перехода топологии пространства-времени при разделении фундаментальных взаимодействий.

В частности, на этом этапе могли образоваться такие одномерные линейные топологические дефекты пространства-времени, которые известны как космические струны, которые достаточно давно и обоснованно поддержаны серьёзными математическими выкладками. Американский физик предположил существование других 2D-структур-дефектов — в виде сфер с нулевой гравитацией.

«Топологические дефекты представляют собой очень компактные области пространства с очень высокой плотностью вещества, обычно в виде линейных структур, известных как космические струны, хотя также возможны 2D-структуры, такие как сферические оболочки, — пояснил автор работы. — Оболочки в моей статье состоят из тонкого внутреннего слоя с положительной массой и тонкого внешнего слоя с отрицательной массой; общая масса обоих слоев — это всё, что можно оценить с точки зрения массы — в точности равна нулю, но когда звезда лежит на этой оболочке, она испытывает большую гравитационную силу, притягивающую её к центру оболочки».

Учёный представляет сферические топологические дефекты как вложенные друг в друга сферы. Они не имеют массы, но гравитационно воздействуют как на видимую материю, так и на свет. Не исключено, что предложенная концепция не может полностью исключить присутствие тёмной материи, но она значительно умаляет её роль.

Мы наблюдаем во Вселенной круги и арки протяжённостью в тысячи и сотни тысяч световых лет, поясняет автор, это может служить зримым доказательством присутствия в пространстве топологических дефектов сферической формы. В то же время учёный не сделал попытки объяснить в своей статье, как формируются складки пространства-времени сферической формы. Он также не предложил способ попытаться обнаружить их во Вселенной. Всё, что на сегодня есть — это сырой математический аппарат, который можно критиковать и развивать, что, на самом деле, уже немало.

Группа физиков из Массачусетского технологического института подвела основу под теорию идентичности тёмной материи и первичных чёрных дыр. Сделано это оригинальным образом — за счёт внедрения в процесс новых элементов — экстремально маленьких экзотических чёрных дыр с цветовым зарядом. Исследователи доказали, что влияние этих экзотических дыр на первичные чёрные дыры было достаточным для последующего обнаружения. Осталось найти эти следы.

Источник изображения: Kaća Bradonjić

Полвека назад физик Стивен Хокинг (Stephen Hawking) предположил, что тёмная материя — это проявление влияния рассеянных по Вселенной первичных чёрных дыр — объектов «размером с атом и массой астероида». Они невидимы, но их гравитация искажает пространство-время и притягивает к себе обычное вещество, порождая в процессе звёзды, галактики и всё-всё-всё. Тем самым вместо поиска экзотического тёмного вещества (тёмной материи), нам следовало бы уделить всё внимание поискам первичных чёрных дыр.

Предполагается, что первичные чёрные дыры образовались через одну квинтиллионную долю секунды (10^-18) после Большого взрыва. Они коллапсировали из сверхплотного в те мгновения вещества и затем рассеялись во Вселенной. Как теперь установили физики из MIT, за доли мгновений до зарождения первичных чёрных дыр и отчасти одновременно с их формированием родились ещё более экзотические и микроскопические чёрные дыры «размером с протон и массой носорога».

Эти экзотические дыры испарились также быстро после своего рождения, но они могли воздействовать на образование первичных чёрных дыр и этот след, теоретически, можно будет обнаружить, доказали учёные. Поскольку микроскопические чёрные дыры могли образоваться лишь из кварк-глюонной плазмы, то они приобрели бы свойственный этим субэлементарным частицам экзотический цветовой заряд. Именно влияние этого заряда, который не мог появиться у обычных чёрных дыр даже первичных, поскольку в процессе «сборки» обычные чёрные дыры приобрели бы нейтральный заряд, должно было оставить память о появлении ещё более экзотических чёрных дыр сразу после Большого взрыва.

Обнаружение этих следов, существование которых физики доказали лишь теоретически, поможет доказать происхождение тёмной материи, как следствие влияния на мир первичных чёрных дыр. Фактически, учёные заменили одну экзотику другой. Осталось только определить, какая из версий соответствует реальному положению дел.

«Несмотря на то, что этих короткоживущих экзотических объектов сегодня поблизости нет, они могли повлиять на космическую историю способами, которые могут проявляться в малозаметных сигналах сегодня, — пояснил Дэвид Кайзер (David Kaiser), профессор физики Массачусетского технологического института. — В рамках идеи о том, что вся тёмная материя может быть образована чёрными дырами, это дает нам новые возможности для поиска».