Самая знаменитая из сил природы - гравитация - отвечает и за самые понятные, и за самые загадочные природные явления. Чтобы понять, что загадочное "дистанционное воздействие" гравитации коренится в природных свойствах всех частиц вещества и силу притяжения между любыми двумя телами можно описать простым алгебраическим уравнением, потребовался самый блестящий и влиятельный ум тысячелетия - гений Исаака Ньютона. А чтобы показать, что еще точнее дистанционное воздействие гравитации описывается как искажение ткани пространства-времени, вызванное любым сочетанием вещества и энергии, потребовался самый блестящий и влиятельный ум прошлого столетия - гений Альберта Энштейна. Уравнения Эйнштейна сложнее ньютоновых, зато они прекрасно описывают вещество, которое мы знаем и любим. Все то вещество, которое мы видим, ощущаем, осязаем, нюхаем и иногда пробуем на вкус.
Кто будет следующим в этой череде гениев, неизвестно, но мы уже почти сто лет ждём, когда явится кто-то, кто объяснит, почему подавляющее большинство гравитации, которую мы намеряли во Вселенной, - почти 85 процентов! - обеспечивается субстанцией, которая больше никак не взаимодействует с "нашими" веществом и энергией.
Ньютон показал, что всегда можно однозначно рассчитать скорость, которую должна поддерживать планета, чтобы сохранять стабильную орбиту на той или иной дистанции от Солнца, не упасть на Солнце и не улететь на более далёкую орбиту. Оказывается, если бы мы могли разогнать Землю по орбите со скоростью больше нынешней в корень квадратный из двух (1.4142...) раз, наша планета достигла бы "второй космической скорости" и покинула бы Солнечную систему. Те же расчёты можно применить к системам гораздо более крупным, например, к нашей галактике Млечный Путь, в котором звезды движутся по орбитам, соответствующим гравитации всех остальных звёзд, и к скоплениям галактик, в которых каждая галактика ощущает гравитацию всех остальных галактик.
Если мы изучим скопление Волосы Вероники (изолированный густонаселенный ансамбль галактик примерно в 300 миллионах световых лет от Земли), то окажется, что все галактики, которые в него входят, движутся со скоростью больше второй космической для этого скопления. Оно должно было разлететься на части, всего за несколько сотен миллионов лет не должно было остаться ни следа от нынешнего роя. Однако этому скоплению уже больше десяти миллиардов лет - они почти что ровесники с самой Вселенной. Так в астрофизики появилась самая старая на сегодня задача без ответа.
На протяжении десятилетий эту же особенность выявили и у других скоплений Галактик, так что речь идёт не о какой-то удивительной особенности Волос Вероники: это скопление ни в чем не виновато. А кто виноват? Или что? Ньютон? Он вне подозрений. По крайней мере, пока. Его теории изучались 250 лет и прошли все проверки. Возможно, "недостающая масса", удерживающая галактики в скоплении Волосы Вероники, и в самом деле существует, просто в какой-то неизвестной невидимой форме. Сегодня мы довольствуемся выражением "тёмное вещество": оно не намекает, что нам чего-то недостаёт, но все же предполагает, что должна существовать какая-то иная разновидность вещества, просто мы её ещё не открыли.
В среднем по Вселенной получается, что темное вещество в космосе обеспечивает примерно в шесть раз больше гравитации, чем все видимое вещество.
Дальнейшие исследования показали, что темное вещество не может состоять из обычного вещества, которое почему-то светится тусклее или не светится вообще. К этому выводу подводят две логические цепочки. Во-первых, мы можем практически с полной уверенностью исключить всех знакомых нам кандидатов - в точности как подозреваемых при опознании. Может быть, темное вещество залегло в черных дырах?Нет, мы бы наверняка обнаружили такое большое количество черных дыр по гравитационному воздействию на ближайшие звезды. Может, это темные облака? Нет, они бы поглощали свет далеких звезд или еще как-то взаимодействовали с ним, а добропорядочное темное вещество так никогда не поступает.
О странной природе темного вещества говорят и более прямые данные - например, соотношение гелия и водорода во Вселенной. Это число дает представление о том, как выглядела ранняя Вселенная. По достаточно точным оценкам, в процессе ядерного синтеза в первые несколько минут после Большого взрыва на каждые десять ядер водорода образовалось одно ядро гелия. Расчеты показывают, что если бы в ядерном синтезе участвовала значительная доля темного вещества, отношение гелия к водороду было бы гораздо выше. Из этого можно сделать вывод, что большая часть темного вещества, а следовательно, большинство массы во Вселенной не участвует в ядерном синтезе, а значит не подходит по определение "обычного" вещества.
Таким образом, насколько мы можем судить, темное вещество - это не просто вещество, которое почему-то темное. Нет. Это что-то принципиально иное. Темное вещество создает гравитацию по тем же самым законам, что и обычное вещество, но больше никак себя не проявляет - не делает ничего такого, что мы могли бы зарегистрировать. Разумеется, эта логика ущербна, поскольку мы не знаем, что, собственно, темное вещество собой представляет. Если любая масса создает создает гравитацию, следует ли из этого, что за любой гравитацией стоит масса? Этого мы не знаем. Возможно, с веществом-то все нормально, просто мы не до конца понимаем, что такое гравитация.