Динозаврите никога не са го виждали. Когато гигантска космическа скала се разбива в полуостров Юкатан преди около 65 милиона години, тяхното глобално царуване завършва с катастрофално насилие. Но тази космическа скала - може би комета с ширина няколко мили - може да е имала таен съучастник: тъмна материя.
Тъмната материя, разбира се, е невидимото нещо, което съставлява една четвърт от Вселената и 85 процента от цялата материя. А физикът от Харвард Лиза Рандал смята, че може да е това, което е хвърлило кометата, унищожаваща динозавъра, към Земята. Според нея теория , тъмната материя на Млечния път съществува под формата на тънък диск, вграден в галактическата равнина – това, което Рандал нарича „тъмна материя с двоен диск“. Докато обикаля около галактическия център, слънчевата система преминава през този диск, чиято гравитация дърпа кометите в слънчевата система - и в случай на смъртта на динозавъра, издърпа една от тях точно толкова, колкото да я изпрати към Земята.
Това е провокираща размисъл идея, свързваща една от най-големите космически мистерии с любимите на всички изчезнали животни. Със сигурност е спекулативно. Но хипотезата на Рандал включва нова характеристика на тъмната материя, която се наложи през последните години - такава, в която тъмната материя е по-нюансирана и сложна, отколкото се смяташе досега.
Този нов клас тъмна материя включва това, което се нарича самовзаимодействаща тъмна материя. Теоретично той може да се сблъска или по друг начин да взаимодейства сам със себе си, вероятно чрез зоопарк от частици, аналогични на тези, които изграждат обикновената материя, като протони, електрони и кварки. Може дори да съществува цяла тъмна вселена, с тъмни атоми и дори тъмни звезди и планети. „Има много различни възможности за това как материята може да взаимодейства“, казва Рандъл. „Същото важи и за тъмната материя.“ И ако тъмната материя взаимодейства сама, това означава, че в продължение на около 30 години учените, опитващи се да открият сенчестите неща, са преследвали грешния тип частица.
Тази частица е слабо взаимодействаща масивна частица или WIMP и все още най-популярната кандидат-частица за тъмна материя днес. Никой не знае точно какъв вид частица може да бъде и физиците имат много теории. Като цяло обаче WIMP е частица, която почти не взаимодейства с нищо по друг начин, освен чрез гравитацията - което го прави добър избор за тъмна материя, защото, доколкото някой може да каже, тъмната материя взаимодейства само гравитационно.
Физиците предпочитат WIMP, защото се вписва толкова добре в теориите на космологията. Както се казва в историята, скоро след Големия взрив тези частици щяха непрекъснато да се сблъскват една с друга и да се унищожават в изблик на енергия. С течение на времето броят им щеше да намалее и с разширяването и охлаждането на Вселената щеше да стане по-трудно за тях да се намират и унищожават един друг. Оказва се, че количеството оставащи WIMP би било достатъчно, за да отчете тъмната материя във Вселената.
„Хората на моята възраст се учат в гимназията, че най-разумният и добре мотивиран модел за тъмната материя е моделът WIMP – чудото WIMP“, казва Джеймс Бълок, астрофизик от Калифорнийския университет в Ървайн. „Това обяснява толкова много неща, че много астрономи го приемат като евангелие.“
Свързана статияТърсене на светлина за признаци на тъмна материя
Така че учените се опитват да открият частицата. Те са използвали сателит за търсене на гама-сигнали, които може да са резултат от унищожаването на WIMP в космоса. Те се надяват да създадат една от частиците в Големия адронен колайдер в Швейцария, като удрят протони заедно със скорост, близка до светлинната. И те са изградили подземни детектори на места по света, за да уловят такъв, като Големия подземен експеримент с ксенон на миля под повърхността в Черните хълмове на Южна Дакота. (Изследователите предполагат, че WIMP също взаимодействат чрез слабата сила, която влиза в действие на изключително къси разстояния на субатомно ниво. В случая с LUX учените се надяват да открият WIMP, взаимодействащи чрез слабата сила с течните ксенонови атоми. За повече, гледайте видеото по-долу.)
Тези експерименти се провеждат от няколко години, което е достатъчно дълго, за да може досега учените да са открили WIMP. И все пак никой не е открил нищо. „Търсим го по различни начини“, казва Йонит Хохберг, физик от Националната лаборатория на Лорънс Бъркли. „Ако го намерим, това е чудесно. Но ако не го направим, може би е време да помислим за други възможности.
Един вариант: самовзаимодействаща тъмна материя, общоприет термин за по-сложен вид тъмна материя. Докато WIMP почти не се забелязват един друг, частици от самовзаимодействаща тъмна материя теоретично могат да се сблъскат и разпръснат, изпитвайки негравитационни сили - да, феновете на Междузвездни войни, те са тъмни сили. И за разлика от тъмната материя на WIMP, взаимодействащата тъмна материя включва повече от един тип частици.
Самовзаимодействащата тъмна материя може да обясни някои несъответствия между теорията на WIMP и наблюденията на галактиките в реалния живот. Например, компютърни симулации показват, че вселена от WIMP произвежда галактики, чиито центрове са по-плътни от това, което се наблюдава. Но ако тъмната материя взаимодействаше сама, нейните съставни частици биха отскачали една от друга като топки за пинг-понг. В резултат на това по-малко тъмна материя ще се натрупа в галактическите ядра, което ще доведе до плътността на тъмната материя, която астрономите всъщност измерват.
Наскоро Хохберг предложи една теория за самовзаимодействаща тъмна материя, в която тъмната материя се състои главно от някакъв вид силно взаимодействаща масивна частица — SIMP. Подобно на WIMP, SIMP биха се унищожили един друг в началото на историята на Вселената. За разлика от WIMP обаче, ще са необходими три от тях, за да бъдат унищожени, а два SIMP ще останат. Този процес ще произведе точното количество остатъчни SIMP, за да отчете цялата тъмна материя във Вселената - но в този случай това ще бъде „SIMP чудо“.
Може да има няколко вида SIMP. Като един пример Хохберг предполага, че SIMP е a тъмна версия на частица, наречена пион . Най-общо казано обаче SIMP са поне 1000 пъти по-леки от типичния WIMP, така че за да ги открият, физиците трябва да преработят стратегиите си за търсене (някои експерименти на ранен етап вече са в ход).
Междувременно астрономите се опитват да разберат дали тъмната материя на първо място взаимодейства сама. По-конкретно, те изучават сливания между огромни клъстери от галактики, които са вградени в огромни петна от тъмна материя, наречени ореоли на тъмна материя. Ако тъмната материя взаимодейства, сливащите се ореоли ще се забавят взаимно - което астрономите могат да открият чрез измерване на това доколко тяхната гравитация изкривява светлината от фоновите галактики.
А Екип, базиран в САЩ току-що са проучили 25 галактически сливания и се надяват, че след няколко години ще знаят със сигурност дали тъмната материя взаимодейства или не. „Това ще бъде достатъчно, за да направим окончателно твърдение по един или друг начин“, казва Уил Доусън, астроном от Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор, който заедно с Бълок е член на екипа.
Наскоро друга група изследва галактика, попадаща в галактичен клъстер, наречен Abell 3827. Техните първоначален анализ предполага, че тъмната материя наистина си взаимодейства, въпреки че някои изследователи хвърли съмнение върху констатациите.
Но тъмната материя може не просто да взаимодейства силно или слабо. Може да е комбинация от двете - което ни връща към динозаврите.
Според теорията на Рандал по-голямата част от тъмната материя взаимодейства много слабо. Но малък компонент може да взаимодейства сам със себе си чрез сила, подобна на електромагнитната сила. В Млечния път този взаимодействащ компонент би представлявал около пет процента от общата маса на галактиката. Този вид тъмна материя би била съставена от положително и отрицателно заредени частици, както и тъмни фотони (т.е. тъмна светлина), взаимодействащи по начин, който разсейва енергия. Благодарение на тази загуба на енергия, частиците от тъмната материя ще се забавят, ще се комбинират, за да образуват тъмни атоми и в крайна сметка ще се сплескат в огромен диск, подравнен с галактиката.
Рандал и нейния екип показан че ако този диск с тъмна материя съществуваше, той би могъл да обясни геоложките доказателства, че Земята е преживявала периодични удари от комети на всеки около 35 милиона години. Учените по-рано предполагаха, че докато слънчевата система обикаля около центъра на Млечния път, тя се клати нагоре и надолу през галактическата равнина с приблизително същата честота. Когато това се случи, предполага екипът на Рандал, слънчевата система също преминава през диска с тъмна материя, чиято гравитация предизвиква приток на комети, за да удари вътрешната слънчева система. Това беше една от онези комети, които убиха динозаврите.
За да определят дали съществува диск с тъмна материя, астрономите биха могли да използват европейския сателит Gaia, мисия, стартирана през 2013 г., която измерва местоположението и траекториите на около един милиард звезди в галактиката Млечен път. Ако има диск, астрономите биха могли да открият неговото гравитационно влияние върху движенията на тези звезди.
Докато достатъчно доказателства не сочат по един или друг начин дали тъмната материя взаимодейства обаче, учени като Доусън остават агностици. „Щастлив съм да изключа самовзаимодействащата тъмна материя, както и да я открия“, казва той. И все пак, като се има предвид менажерията от частици и сили, свързани с обикновената материя, не е пресилено да се мисли, че тъмната материя може да бъде също толкова сложна. Всъщност, казва той, може да е по-изненадващо, ако не беше така.
„Има всички тези възможности“, казва Бълок. „Може би в крайна сметка можем да изключим тези възможности. Но точно сега не можем.