Проблема темной материи (скрытой массы) и темной энергии. 
Ускоренное расширение Вселенной

Понятие «темная материя» появилось в физике в 1940;х гг. и продолжает оставаться одной из важнейших проблем мегафизики. Можно считать установленным, что Вселенная состоит в основном не из звезд, газа и пыли, а из вещества неизвестной природы, которое проявляет себя лишь через гравитационное взаимодействие с обычной материей (рис. 24.4). Это вещество называют темной материей, или скрытой массой. Темная материя распределена неравномерно, но присутствует везде — и в галактиках, и в межгалактическом пространстве. Из темной материи, в частности, состоят массивные протяженные гало, окружающие галактики, в том числе и нашу.

Рис. 24.4. Состав Вселенной, по данным спутника WMAP.

В настоящее время предполагают, что темная материя имеет в основном небарионную природу. Самый естественный кандидат — нейтрино. Однако такой вариант, по мнению Гинзбурга, скорее всего, не проходит. Масса электронного нейтрино v_e недостаточна для существенного вклада в темную материю: mv 10 эВ. Более популярна гипотеза, согласно которой роль темной материи играют гипотетические слабовзаимодействующие частицы — WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), частицы с массами порядка гигаэлектронвольт и выше (к примеру, масса протона т_р = 0,938 ГэВ). К числу WIMP относят гипотетические тяжелые нестабильные нейтрино, суперсимметричные частицы — фотино, нейтралино и т. д. Имеются и другие «кандидаты» на роль компонентов темной материи, например псевдоскалярные частицы — аксионы. Необходимо упомянуть также космические струны и другие топологические «дефекты» Вселенной.

Существует предположение, что частицы WIMP могут быть обнаружены по излучению ими гамма-фотонов и других частиц при аннигиляции с соответствующими античастицами. Другой путь — наблюдение пусть и очень редких актов их соударения с частицами обычного вещества. Соответствующие эксперименты проводят глубоко под землей, чтобы исключить воздействие на установки «фонового» шума космических лучей, обладающих зарядом. К ним могут быть отнесены эксперименты, проводимые в рамках проекта XENON 100 (Dark Matter Search Experiment), Колумбийским университетом (США), а также проекта CDMS (Cryogenic Dark Matter Search), реализуемого в Стэнфордском Университете (штат Калифорния, США).

Наиболее совершенным для поисков темной материи на сегодня считается детектор (установка) LUX (Large Underground Xenon). Установка расположена глубоко в шахте Хоумстейк в штате Южная Дакота (США). Она состоит из большой цистерны весом в треть тонны с охлажденным «двухфазным» ксеноном в жидком и газообразном состояниях. Когда частицы влетают в детектор, они могут столкнуться с ядром атома ксенона, и это столкновение породит фотоны и поток электронов. Фиксируя и изучая вспышки света и появление электронов, ученые могут сказать, пролетела ли это экзотическая частица темной энергии или обычная частица (протон, электрон). Предполагалось, что установка LUX должна быть введена в эксплуатацию для получения данных к концу 2012 г. или в самом начале 2013 г.

Полное количество материи сказывается на динамике Вселенной — движении звезд в галактиках и галактик в скоплениях, а следовательно, напрямую влияет на сценарий ее развития. Эта проблема имеет важное фундаментальное значение для науки. За последние 10 лет астрономы точно измерили светимость сверхновых типа 1а, так что по яркости их взрывов можно определять расстояния до этих объектов. Скорость удаления галактики, в которой находится сверхновая, вычисляют по величине красного смещения линий в спектре. Проведя измерения красного смещения и видимой яркости многих сверхновых, можно восстановить историю расширения Вселенной.

В рамках двух проектов по наблюдению сверхновых типа 1а — «Сверхновые для космологии» и «Поиск сверхновых на больших красных смещениях» — было открыто ускорение расширения Вселенной. Руководитель первого проекта — Сол Перлмуттер (р. 1959), второй проект возглавляют Адам Рисе (р. 1969) и Брайан Шмидт (р. 1967). Ученые также получили свидетельства того, что сначала расширение Вселенной замедлилось. Определив время, на рубеже которого замедление расширения Вселенной сменилось ускорением, можно прояснить природу темной энергии и предсказать судьбу Вселенной. Основополагающий вклад в изучение ускоренного расширения Вселенной при наблюдении за дальними сверхновыми внесли С. Перлмуттер, А. Рисе, Б. Шмидт — лауреаты Нобелевской премии по физике 2011 г.