Той всесвіт, який ми його сприймаємо, насправді нічим не відрізняється від електромагнітного випромінювання. Ми досліджуємо космос, аналізуючи світло та інші форми доступного електромагнетизму, від інфрачервоного тепла далеких зірок до радіосигналів галактик або інших астрономічних об’єктів.
Проте це електромагнітне вікно не охоплює весь спектр “матеріального” існування. Певні космічні сутності, на кшталт темної матерії й темної енергії, здається, вислизають від нашого розуміння, піднімаючи інтригуюче питання: чи існують ці явища за межами електромагнітного спектра? А отже, чи залишаються вони невидимими для наявних методів спостереження?
Більшість наукових інструментів, які ми використовуємо, працюють на електромагнітному принципі. Ми вимірюємо й аналізуємо різні типи електромагнітного випромінювання, намагаючись знайти в чисельних радіохвилях, мікрохвилях, інфрачервоному або ультрафіолетовому світі щось конкретне. Але планети, зірки, квазари, навіть чорні діри для нас залишаються частиною електромагнітного спектра, тобто певним діапазоном частот електромагнітних хвиль.
Разом із тим електромагнітний спектр охоплює широкий спектр фізичних явищ, від космічного мікрохвильового фону до гамма-спалахів (GRB), найпотужніших вибухів у Всесвіті, які відбуваються при колапсі або злитті масивних зірок.
Ми сподіваємось дізнатися про походження, структуру, еволюцію та склад зірок і планет, але для цього нам потрібно їх бачити. Якимось чином отримувати від них інформацію: від хімічного складу атмосфери на екзопланеті до характеристик тих чи інших галактик.
Мало кому відомо, що існують цілком спиртові мазери — такі собі газові утворення, розтягнуті у космосі на десятки мільярдів кілометрів. І вони генерують когерентні електромагнітні хвилі. Як вам?
Однак це не означає, що вся матерія у Всесвіті функціонує лише як електромагнітне випромінювання. Можна припустити існування об'єктів та явищ, які знаходяться за межами електромагнітного спектра. А відтак ми не знаємо, як виміряти або отримати будь-яку інформацію про них. Можливо, до них відносяться темна матерія і темна енергія, два загадкові компоненти, які складають близько 95% загальної маси-енергії Всесвіту.
Але як ця невидима сутність взаємодіє зі світом, як ми про неї знаємо? Ніяк. ТМ не взаємодіє з електромагнітним випромінюванням у будь-який знаний нами спосіб - вона не випромінює і не поглинає світло, і, схоже, не заряджена. Про її присутність можна судити опосередковано, через гравітаційні ефекти. І не факт, що такі ефекти не мають іншого пояснення.
Її виводять зі спостережень за далекими надновими. Але якби швидкість розширення всесвіту була постійною або сповільнювалася, ми б не отримали навіть гравітаційних даних.
Також вважається, що темна енергія пов'язана з космологічною сталою, терміном у загальній теорії відносності Ейнштейна, який описує густину енергії порожнього простору.
Думка про те, що ці явища існують за межами нашої електромагнітної "зони комфорту", безумовно, спокуслива. Вона припускає, що існує ціла область фізики, яку нам ще належить дослідити. Можливо, за допомогою нових частинок або фізичних сил. Однак те, що наші сучасні методи не мають сили виявити ці сутності, не обов'язково означає, що вони діють за межами електромагнітного спектра.
Мало того, дослідження темної енергії залишається вкрай інтенсивним напрямком сучасної фізики. Хоча не виміряти, не довести факт її існування ми не можемо. Чи є вона властивістю самого космосу (космологічна константа), новою силою або сигналом на користь модифікованих теорій гравітації, ще належить з'ясувати.
Технологічна сліпота може бути просто проблемою обмеженості наших методів виявлення, не обов'язково наявним віддзеркаленням космічного електромагнетизму. У цьому контексті важливо зазначити, що наше розуміння Всесвіту завжди формувалося й обмежувалося існуючими інструментами спостереження. Кожне досягнення, від телескопа Галілея до детекторів гравітаційних хвиль LIGO, відкривало новий шар реальності.
Зараз існують декілька способів можливого виявлення темної матерії та темну енергії. Дослідники використовують як електромагнітні, так і неелектромагнетні методи. Ось деякі з них:
- - Експерименти прямого виявлення. Вони призначені для вимірювання зіткнень частинок темної матерії зі звичайною матерією в підземних лабораторіях. Очікується, що зіткнення призведуть до спалахів світла або тепла, і вони будуть записані надчутливими детекторами. На кінець травня 2023 року всі експерименти за допомогою DAMA/LIBRA, CDMS, XENON, LUX і PandaX провалилися.
- - Експерименти непрямого виявлення. Вчені аналізують продукти анігіляції або розпаду темної матерії (?) в космосі. Такими продуктами можуть бути високоенергетичні фотони (гамма-промені або рентгенівське випромінювання), нейтрино або частинки антиматерії (позитрони або антипротони). Дуже складні, фінансово затратні та абсолютно нерентабельні проекти за допомогою космічного гамма-телескопа Фермі, H.E.S.S., AMS-02, IceCube і Super-Kamiokande.
- - Гравітаційне лінзування. Вимірюючи спотворення і збільшення світла, ми можемо зробити висновок про масу і розподіл об'єкта лінзування. Також ми здатні мапувати розподіл матерії в галактиках і скупченнях, водночас перевіряючи альтернативні теорії гравітації. Проблема в тому, що не існує об’єктивних критеріїв інтерпретації отриманих даних. Тобто результати досліджень залежать від точки зору або навіть симпатій певної дослідницької групи.
- - Гравітаційні хвилі. Один із напрямків дослідження чорних дір або нейтронних зірок. Їх можна виявити за допомогою крихітних змін відстані між дзеркалами інтерферометрів, спричинені проходженням гравітаційних хвиль. Прикладами детекторів гравітаційних хвиль є LIGO/Virgo/KAGRA, LISA та Pulsar Timing Arrays.
- - Спостереження за надновими. Порівнюючи їхню видиму яскравість з внутрішньою яскравістю, ми визначаємо, як швидко вони віддаляються від нас. Таким чином ми вивчаємо еволюцію космічного розширення. Але визначити скільки темної енергії існує у Всесвіті і які її властивості, - питання.
- - Баріонні акустичні коливання. Це регулярні коливання густини звичайної матерії (баріонів), які були закарбовані в ранньому всесвіті звуковими хвилями, що проходили крізь первинною плазмою. Вони спостерігаються у розподілі галактик та космічного мікрохвильового фону. Вимірюючи характерний масштаб цих флуктуацій, ми можемо визначити геометрію та історію розширення всесвіту, сподіваючись на випадкове відкриття стану темної енергії.
Як бачимо, науковці зосередженні на проведенні умовних експериментів, а також отриманні додаткових непрямих доказів. І то завдяки припущенню, що темна матерія або темна енергія гравітаційно взаємодіє з “видимим” світом. А якщо ні?
