Наша Вселенная состоит примерно на 5% из обычного вещества (атомы, звёзды, планеты, люди - барионное вещество), на 27% из тёмной материи (неизвестная субстанция, создающая гравитацию, но не излучающая свет) и на 68% из тёмной энергии, а оставшуюся малую долю занимает электромагнитное излучение. Барионная и темная материи - "вещественные" составляющие вселенной, т.е. обладают массой. Как же так вышло, что наблюдая бесчисленное количество галактик мы все же не видим ее основную массу?
Идея о существовании тёмной материи возникла в начале XX века, когда астрономы начали замечать странности в движении небесных объектов. Первым указал на это Фриц Цвикки в 1933 году, исследуя скопление галактик в созвездии Волосы Вероники. Он обнаружил, что галактики движутся значительно быстрее, чем должно быть, если учитывать только видимую массу. По законам гравитации, они должны были разлететься, но оставались связанными. Цвикки предположил, что в скоплении присутствует «невидимая масса», которую он назвал dunkle Materie (тёмная материя).
Позже, в 1970-х годах, Вера Рубин и Кент Форд подтвердили этот эффект, изучая кривые вращения спиральных галактик. Согласно ньютоновской механике, звёзды на окраинах галактик должны двигаться медленнее, чем те, что ближе к центру. Однако наблюдения показали, что скорости остаются практически постоянными. Это означало, что вокруг галактик должно быть огромное невидимое гало, оказывающее гравитационное влияние. Со временем гипотеза тёмной материи укрепилась, и сегодня она является важной частью космологии, объясняя не только движение галактик, но и формирование крупномасштабных структур Вселенной.
Но почему бы не объяснить все несостоятельностью современных теорий гравитации?
Хотя альтернативные теории гравитации представляют интерес и стимулируют научные дискуссии, теория темной материи в настоящее время превосходит их по своей способности объяснять широкий спектр наблюдательных данных.
Одна из самых успешных альтернативных теорий гравитации - Модифицированная ньютоновская динамика (MOND) была предложена в 1983 году израильским физиком Мордехаем Милгромом как альтернатива гипотезе темной материи. Основная идея MOND заключается в том, чтобы модифицировать законы ньютоновской динамики на очень малых ускорениях, характерных для внешних областей галактик, где наблюдаемые кривые вращения звезд и газа не соответствуют предсказаниям классической гравитации. MOND действительно успешно объясняет кривые вращения многих галактик, что изначально вызвало интерес к этой теории. Однако, несмотря на эту успешность, MOND сталкивается с серьезными проблемами при попытке объяснить другие ключевые астрономические и космологические наблюдения, что делает ее менее убедительной по сравнению с теорией темной материи.
Одним из главных недостатков MOND является ее неспособность объяснить гравитационное линзирование — явление, при котором свет от далеких объектов искривляется под действием гравитации массивных объектов, таких как галактики или скопления галактик. Наблюдаемое линзирование требует наличия значительно большей массы, чем можно объяснить видимой материей, и теория темной материи естественным образом учитывает это за счет введения дополнительной невидимой массы. MOND, напротив, не может объяснить эти наблюдения без введения дополнительных компонентов, таких как "теплая темная материя", что делает теорию менее элегантной и усложняет ее. Более того, MOND не способна удовлетворительно объяснить формирование крупномасштабной структуры Вселенной, включая распределение галактик и скоплений галактик, что успешно делает модель ΛCDM, включающая темную материю. ΛCDM (читается как "Лямбда-CDM") — это современная стандартная космологическая модель, которая описывает структуру и эволюцию Вселенной. Название модели происходит от двух ключевых компонентов: Λ (лямбда) — символа, обозначающего темную энергию, и CDM (Cold Dark Matter) — холодной темной материи.
Еще одним серьезным ограничением MOND является ее несоответствие данным космического микроволнового фона (CMB), которые являются одним из ключевых источников информации о ранней Вселенной. Наблюдения CMB, проведенные спутниками, такими как WMAP и Planck, показывают, что распределение температуры и плотности в ранней Вселенной лучше всего объясняется моделью ΛCDM, включающей темную материю и темную энергию. MOND, напротив, не может объяснить эти данные без введения дополнительных гипотез, что делает ее менее универсальной и менее согласованной с наблюдательной космологией. В итоге, хотя MOND и представляет интерес как альтернативный подход, ее ограничения в объяснении широкого спектра наблюдательных данных делают теорию темной материи более предпочтительной и убедительной для современной науки.
Общепринятое представление о структуре вселенной
В последние годы исследования темной материи продвинулись как в области теоретических моделей, так и в экспериментальных поисках. Одним из значимых достижений стало уточнение параметров космологической модели ΛCDM на основе данных космического микроволнового фона (CMB), полученных спутником Planck. Данные спутника подтвердили, что темная материя составляет около 27% всей массы-энергии Вселенной, и позволили более точно определить ее распределение и влияние на формирование крупномасштабной структуры. Кроме того, наблюдения гравитационного линзирования в скоплениях галактик, таких как скопление Пуля, предоставили дополнительные доказательства существования темной материи, показав, что она может отделяться от видимой материи в результате столкновений галактических скоплений.
Экспериментальные поиски темной материи также продолжают развиваться. Установки, такие как XENON1T и LUX, направлены на обнаружение слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMPs), которые являются одним из основных кандидатов на роль темной материи. Хотя прямого обнаружения пока не произошло, эти эксперименты значительно улучшили чувствительность детекторов, исключив часть параметров, предложенных теоретическими моделями. Параллельно ведутся поиски альтернативных кандидатов, таких как аксионы, с помощью экспериментов, подобных ADMX. Кроме того, астрофизические наблюдения, включая изучение гамма-излучения от карликовых галактик и центра Млечного Пути, продолжают предоставлять косвенные доказательства существования темной материи, хотя интерпретация этих данных остается предметом активных дискуссий. В целом, несмотря на отсутствие прямого обнаружения, прогресс в наблюдениях и экспериментах укрепляет уверенность в существовании темной материи и стимулирует дальнейшие исследования.