Темная материя - это форма материи, которая, как считается, составляет приблизительно 85% материи во вселенной и около четверти ее общей плотности энергии. Его присутствие подразумевается в различных астрофизических наблюдениях, включая гравитационные эффекты, которые не могут быть объяснены принятыми теориями гравитации, если не присутствует больше вещества, чем можно увидеть.
По этой причине большинство экспертов считают, что темная материя распространена во вселенной и что она сильно повлияла на ее структуру и эволюцию. Темная материя называется темной, потому что она, кажется, не взаимодействует с наблюдаемым электромагнитным излучением, таким как свет, и поэтому ее невозможно обнаружить с помощью существующих астрономических инструментов.
Основным доказательством темной материи являются расчеты, показывающие, что многие галактики разлетелись бы на части, или что они не сформировались бы или не двигались бы так, как они, если бы в них не было большого количества невидимой материи. Другие линии доказательств включают наблюдения в гравитационном линзировании и на фоне космического микроволнового излучения, наряду с астрономическими наблюдениями текущей структуры наблюдаемой вселенной, формирования и эволюции галактик, местоположения массы во время галактических столкновений, и движения галактики в скоплениях галактик.
В стандартной космологической модели Lambda-CDM полная масса-энергия Вселенной содержит 5% обычной материи и энергии, 27% темной материи и 68% неизвестной формы энергии, известной как темная энергия. Таким образом, темная материя составляет 85% от общей массы, в то время как темная энергия плюс темная материя составляют 95% от общей массы-энергии.
Поскольку темная материя еще не наблюдалась непосредственно, если она существует, она должна едва взаимодействовать с обычной барионной материей и излучением, кроме как через гравитацию. Считается, что большинство темной материи не барионны по своей природе; он может состоять из некоторых пока еще не обнаруженных субатомных частиц.
Основной кандидат для темной материи - это некоторый новый тип элементарной частицы, которая еще не была обнаружена, в частности, слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP).
Многие эксперименты по непосредственному обнаружению и изучению частиц темной материи активно проводятся, но ни один из них пока не удался. Темная материя классифицируется как «холодная», «теплая» или «горячая» в зависимости от ее скорости (точнее, длины свободного потока). Современные модели поддерживают сценарий холодной темной материи, в котором структуры возникают путем постепенного накопления частиц.
Хотя существование темной материи в целом принято научным сообществом, некоторые астрофизики, заинтригованные некоторыми наблюдениями, которые не соответствуют теории темной материи, приводят доводы в пользу различных модификаций стандартных законов общей теории относительности, таких как модифицированная ньютоновская динамика, тензор-вектор-скалярная гравитация или энтропийная гравитация. Эти модели пытаются учесть все наблюдения без привлечения дополнительной небарионной материи.
Наблюдательные доказательства
Кривая вращения типичной спиральной галактики: предсказанная (A) и наблюдаемая (B). Темная материя может объяснить «плоский» вид кривой скорости на большой радиус.
Руки спиральных галактик вращаются вокруг центра галактики. Плотность светящейся массы спиральной галактики уменьшается при переходе от центра к окраинам. Если бы светящейся массой было все дело, то мы могли бы смоделировать галактику как точечную массу в центре и испытать массы, вращающиеся вокруг нее, подобно Солнечной системе. Из второго закона Кеплера ожидается, что скорости вращения будут уменьшается с расстоянием от центра, подобно Солнечной системе. Этого не наблюдается. Вместо этого кривая вращения галактики остается плоской с увеличением расстояния от центра.
Если законы Кеплера верны, то очевидный способ устранить это несоответствие состоит в том, чтобы заключить, что распределение массы в спиральных галактиках не похоже на распределение Солнечной системы. В частности, на окраинах галактики много несветящейся материи (темной материи).
Скоростные дисперсии
Звезды в связанных системах должны подчиняться теореме вириала. Теорема вместе с измеренным распределением скорости может использоваться для измерения распределения массы в связанной системе, такой как эллиптические галактики или шаровые скопления. За некоторыми исключениями, оценки дисперсии скорости эллиптических галактик не совпадают с прогнозируемой дисперсией скорости по наблюдаемому распределению массы, даже если предположить сложные распределения звездных орбит.
Как и в случае кривых вращения галактик, очевидным способом устранения несоответствия является постулирование существования несветящейся материи.