Формирование космической структуры на крупных и малых масштабах сильно зависит от взаимодействия тёмной и нормальной материи. Несмотря на косвенные свидетельства существования тёмной материи, нам бы очень хотелось напрямую обнаружить её – а это может произойти, только если между нормальной и тёмной материей будет ненулевое взаимное пересечение.
Баланс материи во Вселенной, несмотря на все её планеты, звёзды, газ, пыль, галактики, и всё, что мы в ней обнаруживаем, не сходится. На крупнейших космических масштабах мы видим одно и то же: для наблюдаемых нами гравитационных эффектов не хватает материи. Материя скапливается, образуя космическую паутину; скопления галактик вырастают до огромных размеров, а внутри них галактики движутся с большими скоростями; отдельные галактики вращаются с большой скоростью, остающейся большой до самого их края.
Но всего это могло и не быть, если бы материи не было в пять раз больше, чем всё, за что могут отвечать одни лишь протоны, нейтроны и электроны. Нашей картине Вселенной для внутренней непротиворечивости необходима тёмная материя (ТМ). И если она реальна, тогда и у нашего Млечного пути имеется своё гало из ТМ, причём часть этой ТМ проходит через Солнечную систему, Землю и даже ваше тело. И вот как узнать, сколько ТМ находится внутри вас в данный момент.
Для объяснения наблюдаемых явлений во Вселенной на самых крупных масштабах, от реликтового излучения до космической паутины, скоплений галактик и отдельных галактик, требуется тёмная материя
В молодой Вселенной всё было горячее, плотнее и однороднее, чем сегодня. В ранние времена были немногим более плотные участки, в которых содержалось чуть больше среднего материи. Гравитация притягивает к таким участкам больше материи, а излучение работает на её выталкивание.
Если бы у нас была только нормальная материя и составляющие её частицы вкупе с этим излучением, то галактики и галактические скопления сегодня были бы совсем не такими, которые мы видим. Но если ТМ находится в соотношении 5 к 1 с обычной, мы теоретически можем воспроизвести космическую паутину, соответствующую нашим наблюдениям и измерениям.
На крупнейших масштабах симуляции (красный) не соответствуют тому, как скапливаются галактики на самом деле (синий и пурпурный), если только не включить в них тёмную материю.
Одно из последствий существования ТМ состоит в том, что любую крупную структуру, формирующуюся во Вселенной, например, галактику, будет окружать крупное разреженное гало ТМ. Ближе к центру галактик будет собираться нормальная (основанная на атомах) материя, поскольку она способна сталкиваться и взаимодействовать сама с собой и излучением. Но ТМ просто проходить сквозь всё остальное: через саму себя, нормальную материю, фотоны, и т.п.
Частицы ТМ, взаимодействуя только через гравитацию, не могут потерять большой начальный импульс. За всю историю Вселенной каждая частица ТМ могла пройти через центр галактики не более десятка раз.
Согласно моделям и симуляциям, все галактики должны быть окутаны гало ТМ, чья плотность максимальна в центре. Даже на достаточно долгих промежутках времени, длиною в миллиарды лет, каждая частица ТМ на краю гало едва завершит один оборот.
На крупнейших масштабах во Вселенной доминирует тёмная материя. Но там, где находимся мы, в 25 000 световых годах от центра Галактики, локально преобладает обычная материя. На Земле, в Солнечной системе, ситуация ещё сильнее отличается от той, что царит в межзвёздном пространстве. Плотность человеческого тела сравнима с водой – 1000 кг/м3.
Плотность тёмной материи там, где мы живём, даже в наиболее реалистичных симуляциях оказывается во много раз меньше: 10-12 кг/м3. Если собрать всю ТМ, находящуюся внутри всех людей на Земле в определённый момент времени, её не наберётся и на нанограмм.
Землетрясения известны не только трещинами в земле, но и изменениями вращения Земли, которая, к тому же, немного уменьшается в диаметре после завершения полного оборота. На ТМ всё это не влияет, как не влияет и ничто другое, происходящее на Земле, включая наличие или отсутствие людей.
Если собрать всю ТМ со всей Солнечной системы вплоть до орбиты Нептуна, получится не более 1017 кг: масса небольшого астероида. При этом, поскольку она не сталкивается с нормальной материей, она не двигается вместе с Солнечной системой. Она:
- не вращается вокруг Солнца,
- не движется вместе с Солнцем и другими звёздами вокруг галактического центра,
- не остаётся в одной плоскости,
- не вращается с диском Млечного Пути.
Иначе говоря, относительно Земли она под воздействием гравитации движется с довольно большой скоростью!
Гало ТМ вокруг нашей Галактики должно демонстрировать немного отличные свойства взаимодействий, когда Земля вращается вокруг Солнца, изменяя наше движение сквозь ТМ в нашей Галактике.
Если вы хотите узнать, сколько ТМ проходит через ваше тело за определённое время, вам нужно перемножить только четыре значения. Это:
- плотность тёмной материи,
- площадь поверхности человека, через которую проходит ТМ,
- скорость ТМ,
- длительность промежутка времени.
Оценив плотность ТМ – а мы её уже знаем, это 10-21 кг/м3 — мы можем сразу получить ответ.
Нашу Галактику окружает огромное рассеянное гало ТМ, поэтому сквозь нашу Солнечную систему должен идти её поток. Но по плотности он совсем небольшой, из-за чего его очень сложно обнаружить.
Площадь поверхности человека составляет 1,7 м2. Поскольку ТМ может идти со случайного угла, мы можем оценить площадь, пересекаемую ТМ, примерно в 0,6 м2.
Наша Солнечная система движется по орбите вокруг галактического центра со скоростью порядка 200 км/с, но относительно ТМ это движение должно идти быстрее – ближе к 350 км/с. Это значит, что относительно Земли ТМ движется со скоростью порядка 400 км/с.
И мы можем провести вычисления для любого промежутка времени – за каждую секунду, за год, за жизнь человека (порядка 80 лет).
Двигаясь сквозь человеческое тело со скоростью порядка 400 км/с, каждая отдельная частица ТМ очень медленно совершает оборот вокруг галактики, примерно за миллиард лет. Если между ТМ и нормальной материей существует какое-то взаимодействие, у нас будет шанс его засечь.
И если в любой момент времени внутри вас находятся 10-22 кг ТМ, гораздо большее её количество постоянно проходит сквозь вас.
- Каждую секунду сквозь ваше тело пройдёт порядка 2,5 × 10-16 кг тёмной материи.
- Каждый год – порядка 10-8 кг.
- В течение жизни сквозь человека пройдёт около 1 миллиграмма ТМ.
Крохотное на первый взгляд количество за большой промежуток времени собирается в нечто осязаемое.
Hall B в LNGS с установкой XENON с детектором, расположенным внутри большого водяного щита. Если ТМ пересекается с нормальной материей, то у эксперимента будет шанс напрямую обнаружить ТМ, а у вашего тела – прореагировать с ней.
То, что полученные значения не так уж велики, говорит не только о содержимом нашего тела, но и о том, можем ли мы мечтать найти ТМ. Состоит ли она из частиц очень малой или очень большой массы, по крайней мере, нам известно, какая масс ТМ проходит не только сквозь человека, но и сквозь любой детектор заданного объёма. Если мы предположим, что знаем массу ТМ, мы сможем подсчитать количество частиц, проходящих сквозь что угодно.
Уже несколько десятилетий мы строим всё более крупные и чувствительные детекторы, пытаясь прозондировать возможные неуловимые взаимодействия между ТМ и обычной материей. Самые передовые детекторы сегодняшнего дня используют атомы с большим ядром и большой массы, и ищут признаки отскоков или других взаимодействий. И пока что все схемы прямого обнаружения ТМ ничего не дали.
Ограничения на пересечения свойств тёмной материи и отскока от ядра, включая предсказываемую точность проекта XENON1T. Все сделанные нами попытки найти ТМ полагались на определённый набор предположений о природе ТМ, но размеры этого взаимного пересечения весьма ограничены.
Исходя из наилучших наших предположений, ТМ находится везде. Она может быть невидимой для глаз, но мы можем ощущать её гравитационное притяжение. Она проходит сквозь всю материю Вселенной, включая и людей, так, будто бы там ничего и нет. Насколько нам известно, с ней не происходит никаких столкновений или взаимодействий, кроме искривления пространства-времени под её влиянием. Она не комкуется, не группируется, не формирует структур типа тёмных атомов или молекул.
И всё же, если существует малейший намёк на возможность столкновения ТМ с нормальной материей или излучением, мы сможем его обнаружить. Если даже одна частица ТМ столкнётся с одним протоном или электроном в вашем теле, у нас будет шанс. Сложно просить большего, когда речь идёт об одной из глубочайших загадок Вселенной.
