Темная материя необходима для появления жизни

Темная материя — самое загадочное и инертное вещество во Вселенной. Ее гравитационные эффекты объясняют вращение галактик, движение скоплений и самые крупномасштабные структуры во всей Вселенной. Но на меньших масштабах ее слишком мало, чтобы повлиять на движение Солнечной системы, на вещество Земли или на происхождение и эволюцию человека. При этом гравитация, которую обеспечивает темная материя, абсолютно необходима для сырых ингредиентов, которые образуют жизнь вроде нас и планеты вроде Земли. Без темной материи во Вселенной вообще могло бы не быть жизни.

Звезды производят 100% света, который мы видим во Вселенной, но всего 2% ее массы. Когда мы смотрим на движения галактик, скоплений и прочего, мы находим, что количество гравитационной массы перевешивает звездную массу в 50 раз. Можно было бы подумать, что другие типы обычной материи могли бы объяснить эту разницу. В конце концов, мы обнаружили много других типов вещества во Вселенной, не считая звезды:

останки звезды вроде белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр;
астероиды, планеты и другие объекты, масса которых слишком мала, чтобы быть звездами;
нейтральный газ в галактиках и пространстве между ними;
пыль, блокирующая свет, и туманные регионы;
ионизированная плазма, которой много в межгалактической среде.

Все эти формы обычной материи — или материи, которая изначально состояла из тех же вещей, что и мы: протонов, нейтронов и электронов — действительно вносят свой вклад. Газ и плазма, в частности, вносят больше, чем сумма всех звезд во Вселенной. Но даже если суммировать все эти компоненты вместе, мы получим всего 15-17% общего количества вещества, которое необходимо для объяснения гравитации. Для остального движения, что мы видим, нам нужна форма материи, которая не только отличается от протонов, нейтронов и электронов, но и не соответствует ни одной известной частице Стандартной модели. Нам нужна в некотором роде темная материя.

Небольшая группа ученых выступает против добавления некоего невидимого источника массы, но за изменение законов гравитации. У подобной модели имеются трудности, включая неспособность воспроизвести полный набор наблюдений, в том числе движение отдельных галактик в скоплениях, космический микроволновый фон, столкновения галактических скоплений и гигантскую космическую сеть наблюдаемой крупномасштабной структуры Вселенной. Есть также другая важная часть доказательства, которая указывает на существование темной материи. Вы удивитесь, но это наше существование.

Вас наверняка удивит, что нам не просто нужна темная материя для объяснения астрофизических явлений вроде галактического вращения, движения скоплений и их столкновений, но и для объяснения самого происхождения жизни.

Чтобы понять почему, нужно вспомнить, что Вселенная началась с горячего и плотного состояния — Большого Взрыва — когда все было в виде практически однородного моря отдельных, свободных, высокоэнергетических частиц. По мере охлаждения и расширения Вселенной образовались протоны, нейтроны и легчайшие ядра (водород, гелий, дейтерий и немного лития), но ничего больше. Только спустя десятки или сотни миллионов лет назад эта материя коллапсировала в достаточно плотные регионы, чтобы образовать звезды и, наконец, галактики.

Все это произошло бы, хотя и немного иначе, с темной материей или без нее. Но чтобы элементы, необходимые для жизни, расплодились в изобилии — углерод, кислород, азот, фосфор, сера — их нужно выплавлять в ядрах самых массивных звезд во Вселенной. Нам от этого ни жарко, ни холодно; чтобы из них образовались твердые планеты, органические молекулы и жизнь, им сперва нужно выбросить эти тяжелые атомы в межзвездную среду, где они снова станут звездами, уже следующими поколениями. Для этого нужен взрыв сверхновой.

Мы наблюдали за этими взрывами в мельчайших подробностях и знаем, в частности, как быстро этот материал выбрасывается из звезд в их предсмертных хрипах: на тысячи километров в секунду. (Останки сверхновой Cas A выбрасывали материал на скорости в 5000 и даже 14 500 км/с!). Хотя это число может показаться небольшим, особенно на фоне скорости света, не забывайте, что наша собственная звезда вращается в Млечном Пути со скоростью всего 220 км/c. Если бы Солнце вращалось хотя бы в три раза быстрее, мы бы уже оказались за пределами гравитационного притяжения нашей галактики — нас бы выбросило.

Останки сверхновой выбрасывают более тяжелые вещества, но благодаря мощному гравитационному притяжению диффузного, вытянутого гало темной материи мы будем удерживать большую часть этой массы внутри нашей собственной галактики. Со временем вещество вернется в обычные, богатые нормальной материей регионы, сформирует нейтральные молекулярные облака и ляжет в основу последующих поколений звезд, планет и, что самое интересное, органических молекулярных комбинаций.

Но без дополнительного притяжения массивного гало темной материи, окружающей галактику, подавляющее количество материала, выбрасываемого из сверхновой, навсегда бы покидало галактику. Оно будет всегда плавать в межгалактической среде, но никогда не станет частью будущих поколений звездных систем. Во Вселенной без темной материи у нас были бы звезды и галактики, но планеты были бы только газовыми гигантами, никаких твердых миров, никакой жидкой воды и жизни тоже бы не было. Без обильного количества тяжелых элементов, поставляемых поколениями массивных звезд, жизни на основе молекул не было бы никогда.

Выходит, массивное гало темной материи, окружающее нашу галактику, которое позволило появиться жизни на основе углерода, которая выбрала своим домом Землю — или еще какую-нибудь другую — стоит поблагодарить за всё это. По мере того как мы все глубже погружаемся в принципы работы Вселенной, мы понимаем: темная материя абсолютно необходима для появления жизни. Без нее не было бы химии, сложных элементов, биологии, твердых планет, жизни — и нас.

Темная материя необходима для появления жизни
Илья Хель