Вісник НАН України. 2015. № 11. С. 29–40.
https://doi.org/10.15407/visn2015.11.029
ШТАНОВ Юрій Володимирович –
доктор фізико-математичних наук,
завідувач лабораторії астрофізики і космології Інституту теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України
ТЕМНА МАТЕРІЯ У ВСЕСВІТІ: СУЧАСНИЙ СТАН І ПРОБЛЕМИ
За матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України
23 вересня 2015 року
Сукупність даних астрофізичних спостережень вказує на наявність у Всесвіті особливої субстанції, що проявляє себе лише своєю гравітацією. Ця невидима і прозора субстанція дістала назву темної матерії. Сучасна теорія еволюції Всесвіту узгоджується з даними спостережень лише за умови, що темна матерія складається з частинок досі невідомої природи. Дослідження властивостей і з’ясування природи темної матерії є одним із найактуальніших завдань фундаментальної фізики, астрофізики і космології. У цій доповіді ми розповімо, як науковці, у тому числі й в Україні, досліджують властивості темної матерії, які можуть пролити світло на природу цього явища.
Ключові слова: темна матерія, темна енергія, астрофізика, космологія, фізика елементарних частинок, теорія гравітації.
Вступ
Проблема складу і походження Всесвіту з давніх часів хвилювала допитливе людство. Численні й різноманітні космологічні гіпотези, що існували ще у другій половині XX ст., з накопиченням точної і об’ємної інформації за даними астрофізичних спостережень в останні десятиліття перетворилися на єдину теорію – так звану стандартну космологічну модель. Намагаючись дати найпростіше і найприродніше пояснення хімічного складу і структури Всесвіту, стандартна модель, яка ґрунтується на загальній теорії відносності Ейнштейна, не може обійтися без двох сутностей, незвичайних для навколоземної фізики. Це так звані темна матерія і темна енергія.
Темна енергія проявляє себе як властивість простору-часу, що робить його однорідно викривленим навіть за відсутності речовини. Вона, зокрема, впливає на темп розширення Всесвіту і спостерігається саме за таким впливом. Теоретично темну енергію можна охарактеризувати за допомогою так званої космологічної сталої Λ – особливої світової константи в теорії гравітації Ейнштейна. Хоча надзвичайно мала величина цієї константи становить певну фізичну проблему, сама її наявність у теорії Ейнштейна є цілком природною; у цьому вона подібна до гравітаційної сталої або сталої швидкості світла.
Дещо інший теоретичний статус має темна матерія, якій власне і присвячена ця стаття. Подібно до темної енергії, вона також проявляється лише за викривленнями простору-часу. Проте ці викривлення вже не є однорідними у просторі-часі – вони виглядають так, начебто їх спричинює присутність деякої субстанції, що рухається подібно до речовини, з якої складаються зорі і планети, але яка є для нас і досі невидимою і цілком прозорою (звідси її назва «темна матерія»). Найбільш вражаючим є те, що для пояснення цих ефектів викривлення простору-часу необхідно припустити, що темної матерії загалом у Всесвіті в 5 разів більше, ніж звичайної. Природа темної матерії, якщо вона дійсно існує у Всесвіті, залишається невідомою і загадковою.
Звідки ж виникає необхідність гіпотези про наявність темної матерії у Всесвіті і як науковці намагаються з’ясувати її природу? Повний текст