Музыка тёмной материи: можно ли услышать «песню» невидимой Вселенной
Что особенного в темной материи? Почему ученые всего мира, как семь нянек одно дитя, так усиленно ищут ее? При этом «без глазу» не спрятавшийся в кладовке с вениками «ребенок», а сами исследователи — титулованные деятели науки. Вещество, никак не взаимодействующее со светом, обнаружить непросто. Но если это когда-нибудь получится, открытие может перевернуть представления о зарождении и гибели Вселенной. Как? Поговорим немного о плотности.
Количество звезд в космосе потрясает и не укладывается в голове. Однако их суммарная плотность, даже с учетом бесчисленных «аксессуаров» в виде планет, межзвездного газа и частиц, снующих туда-сюда, остается недостаточной для того, чтобы гравитационным притяжением сдержать непрекращающееся расширение Вселенной. Спасибо космической пустоте, вакууму, если угодно, за столь малую среднюю плотность нашего гигантского дома.
Ученые полагают, что на каком-то этапе разлета вещества в разные стороны материя разделится на кучки, которые «разбредутся», как школьные субкультуры, по своим углам. Образование новых звезд, планет и их спутников однажды прекратится. Вселенная остынет, и привет, растянутое в пространстве мертвое безмолвие. Тепловая смерть ждет галактики в том случае, если плотность всего вещества в космосе не дотягивает до некой критической отметки.
Вот почему намеки на существование темной материи так обрадовали исследователей. Стоит лишь учесть ее массу, сценарий «конца света» тут же переписывается. 96% вещества Вселенной в форме невидимой, но проявляющей себя в физических явлениях материи — ровно столько надо «добрать», чтобы достигнуть критической плотности. Удивительнейшее совпадение!
В этом случае гравитация не ослабнет, как общение между любителями послушать тяжелый рок в папином гараже, поклонниками аниме и будущими карьеристами, бурно обсуждающими «Финансиста» Теодора Драйзера на переменах и после занятий. Повзрослевшие школьники осознают, что разные увлечения не исключают взаимодействия, и рокер — такой же человек, как анимешник. В какой-то момент космические объекты «вспомнят», что все они всего лишь масса. А масса притягивает массу.
Как резинка от трусов, вовремя отпущенная после натяжения и не преодолевшая предела упругости, Вселенная с критической плотностью однажды перестанет расширяться и начнет гравитационно сжиматься обратно. Достигнет ли она точки нового Большого Взрыва? Зациклится ли история? На эти вопросы нужно будет отвечать после того, как удастся обнаружить темную материю.
Предполагается, что частицы темной материи чрезвычайно легкие и плотные. Если такие частицы существуют, то их можно рассматривать как «жидкость». Проникая в галактику, гипотетическая «жидкость» должна вызывать в нормальной материи волновые колебания, подобные звуковым. Это означает, что наличие темной материи можно подтвердить по механическим возмущениям, зарегистрированным в видимом веществе.
Ученые из Университета Делавэра, Университета Аризоны и Хаверфордского колледжа описали способ обнаружения таинственного вещества с помощью механических систем. Теорию метода они привели в статье, опубликованной в Physical Review Letters.
Колебания, которые частицы темной материи могут наводить в привычном нам веществе, должны быть небольшими для одного атома. Но в объектах, состоящих из множества атомов, волны могут многократно усиливаться. Если объект вибрирует синхронно с частотой этих колебаний, эффект нарастает. Создается резонанс, напоминающий тот, что возникает при игре на музыкальных инструментах.
Для поиска частиц темной материи с массами от 10-48 до 10-42 килограммов исследователи планируют использовать акустические компактные резонаторы из сверхтекучего гелия или монокристаллических материалов. Простой струнный или барабанный механический резонатор был бы чувствителен к колебаниям с частотами порядка сотен мегагерц.
Первоначальные расчеты показали, что механические устройства вполне могут зафиксировать процессы, в которых частицы темной материи соединяются с нормальной. Осталось подтвердить теорию экспериментально. В настоящее время все силы брошены на разработку и подготовку подобного опыта. Если темную материю удастся найти этим изящным способом, а плотность Вселенной совпадет с критической, останется в который раз поразиться тому, как филигранно и затейливо устроен наш мир.