С полным набором доказательств нельзя отрицать существование темной материи.
«Космическая загадка огромных масштабов, когда-то казавшаяся на грани разгадки, углубилась и оставила астрономов и астрофизиков еще более озадаченными, чем раньше. Суть в том, что подавляющее большинство массы Вселенной, похоже, отсутствует.» - Уильям Дж. Брод
Когда мы смотрим на Вселенную, естественно предположить, что все, что мы видим там — среди звезд, галактик и в великой темной пустоте межгалактического пространства — состоит из того же, что и вокруг нас: протонов, нейтронов и электронов. В конце концов, наш мир и все, что на нем, наша Солнечная система и все в ней, и наш Млечный Путь (насколько нам известно) состоят именно из этого.
Даже если бы это было не так, мы все равно ожидали бы, что они состоят из некоторой комбинации известных фундаментальных частиц. Когда речь идет обо всех формах материи, известных нам, Стандартная модель элементарных частиц охватывает все. Если это было создано, измерено или наблюдено в лабораторных условиях, это содержится в этой таблице ниже.
И все же, это, похоже, не так. Подавляющее большинство физиков согласны с тем, что вещество, которое "известно", то есть состоящее из всех частиц (и античастиц), входящих в Стандартную модель во всей Вселенной, составляет лишь крошечную долю от всей массы, находящейся там.
Что могло привести нас к такому выводу? Ниже приведены семь фактов о Вселенной — факты, которые каждый может исследовать и выяснить для себя — которые приводят нас к неизбежному выводу, что подавляющее большинство материи во Вселенной не входит в Стандартную модель, не состоит из протонов, нейтронов и электронов, а представляет собой новую форму темной материи, которая должна существовать.
Давайте начнем!
Количество обычной материи во Вселенной — известная величина!
Существует два способа подхода к этой проблеме:
- Измерить и количественно определить всю обычную материю во всех её различных формах повсюду во Вселенной и сложить всё вместе.
- Найти способ связать величину, которую вы хотите понять, — сколько материи присутствует — с чем-то, что можно измерить, а затем измерить это!
Первый способ является наиболее простым и включает не только планеты и звезды, но и все формы материи, которые можно представить, включая газ, пыль, плазму, свободные электроны, белые карлики, коричневые карлики, нейтронные звезды, черные дыры, антиматерию и нейтрино, чтобы назвать лишь некоторые из наиболее значимых. Мы складываем их все и получаем число.
Но есть другой способ, который исключает возможность скрытия этой материи в какой-то еще не открытой форме.
Поскольку мы знаем, что Вселенная возникла из горячего плотного состояния, мы знаем, что в какой-то момент сформировались первые стабильные атомные ядра. Если мы сможем найти образец материи — нейтрального газа — до того, как в нём образуются звезды, мы сможем измерить, каковы были соотношения различных элементов. Законы физики известны и делают очень конкретные предсказания о том, сколько водорода, дейтерия, гелия-3, гелия-4 и лития-7 должно быть во Вселенной. Это пять независимых, измеримых величин, определяемых только одним параметром: количеством обычной материи во Вселенной.
Мы измерили все пять, и теперь мы знаем: обычной материи всего около 5% от того, что требуется для объяснения всей энергии во Вселенной.
Кластеры галактик связаны вместе!
Когда мы смотрим на кластеры галактик — некоторые из крупнейших связанных структур во Вселенной — мы обнаруживаем, что они содержат от сотен до многих тысяч отдельных галактик, все связанные вместе в относительно компактной области пространства. Основываясь на том, как быстро они движутся (и известных законах гравитации), мы можем определить, сколько общей массы должно быть там, чтобы удерживать кластеры вместе.
Мы также можем, основываясь на всей наблюдаемой материи: звездном свете, газе, пыли, плазме, рентгеновских лучах, когда газ нагревается, и т. д., заключить, сколько обычной материи должно быть там. Её много! Но этого недостаточно. Это только около 13–17% от общей массы, необходимой для удержания кластеров вместе. Должна быть какая-то другая форма материи, чтобы объяснить массу: какая-то форма темной материи.
В отдельных галактиках должно быть больше, чем просто газ и пыль, чтобы объяснить их наблюдаемую динамику.
Если есть что-то, что вы знаете о спиральных галактиках, то это то, что они вращаются, и именно это вращение создает ту классическую спиральную структуру, которую вы так хорошо знаете. Но когда галактика смотрит на нас ребром, мы можем определить, какие части галактики вращаются к нам, а какие от нас, благодаря красному и синему смещению света.
Более того, мы можем измерить, как быстро она вращается на разных расстояниях от её центра. Если бы большая часть массы была сосредоточена в центре, как это должно быть с обычной материей во всех её формах, мы бы увидели, что окраины вращаются медленнее, чем внутренние части. Но этого не происходит, что приводит к идее, что вокруг каждой галактики должно быть "гало" из темной материи, чтобы объяснить наблюдаемые кривые вращения.
Гравитационное линзирование измеряет общую массу и показывает, что материи больше, чем позволяет обычная материя!
Когда мы смотрим на Вселенную, мы не только измеряем свет от галактики или кластера, чтобы получить информацию о Вселенной. Благодаря Общей теории относительности Эйнштейна, у нас есть невероятный механизм для измерения массы: тот факт, что сама масса может действовать как линза, изгибая весь свет от объектов позади неё, явление, известное как гравитационное линзирование. Это может быть в форме сильного линзирования, которое показывает, как могут образовываться большие кольца, дуги и множественные изображения, или слабого линзирования, которое искажает формы фоновый галактик в хорошо понятной форме.
Вы можете измерить один или оба этих эффекта, и до тех пор, пока через них проходит достаточно фоновый света, вы можете определить, сколько массы присутствует в линзирующем (переднем) объекте. На основе всех когда-либо сделанных наблюдений, мы измерили «общую массу», которая соответствует примерно шестиразовому превышению количества массы, ожидаемого от одной лишь обычной материи.
Крупномасштабное кластерирование требует темной материи для воспроизведения наблюдаемой структуры.
Когда мы создаем самые точные карты галактик во Вселенной на самых больших масштабах, мы обнаруживаем, что обязательно должна быть какая-то материя, отличная от обычной материи — протонов, нейтронов и электронов — чтобы воспроизвести структуры, которые мы видим на самых больших масштабах. В частности, темная материя создает иерархическую космическую сеть, где у нас есть крошечные карликовые галактики, большие спирали различных размеров, группы, содержащие несколько больших спиралей, кластеры с множеством спиралей и гигантских эллиптических галактик, нити, соединяющие кластеры, и огромные пустоты с очень малым количеством материи в пространстве между ними.
Если бы не было темной материи, Вселенная, которую мы видели бы, была бы совсем другой.
Во-первых, было бы ограничение на крупномасштабную структуру; у нас не было бы её ниже определенного размера. Во-вторых, были бы «долины» или масштабы, на которых не было бы сгруппированных объектов. И наконец, «акустические особенности» (или колебания) на графике были бы сильно преувеличены. Эти колебания создаются обычной материей и подавляются темной материей; наблюдаемое количество «колебаний» снова соответствует соотношению темной материи к обычной как 5:1.
Флуктуации в реликтовом излучении.
Это огромный аргумент! Когда мы смотрим на остаточное излучение от Большого взрыва (CMB), мы обнаруживаем, что существует очень специфический узор в том, как эти флуктуации сгруппированы вместе. В то время как флуктуации начинаются одинаково на всех масштабах, взаимодействие между излучением и материей создает «волны», аналогичные рябям на поверхности воды, на очень специфических масштабах. Если темная материя присутствует, она влияет на излучение и обычную материю благодаря гравитации, но не взаимодействует так, как обычная материя с собой или с излучением.
Итак, мы восстанавливаем эту картину флуктуаций и обнаруживаем, что она соответствует Вселенной, состоящей из 5% обычной материи, 27% темной материи и 68% темной энергии. Хотя темная энергия сама по себе интересна, важным выводом здесь является то, что снова мы видим то же соотношение 5:1 темной материи к обычной материи.
Столкновения галактических кластеров показывают, что большинство гравитации не там, где находится большинство обычной материи!
Наконец, наиболее драматическое и необычное доказательство исходит из столкновений галактических кластеров. Именно так: время от времени, хотя и невероятно редко, два галактических кластера находят друг друга в этой огромной пустой Вселенной, притянутые своим огромным взаимным гравитационным притяжением. Кластеры сталкиваются, и в то время как сжатые объекты (например, отдельные звезды) проходят прямо через друг друга, диффузный нейтральный газ внутри сталкивается с газом в другом кластере. Когда это происходит, газ нагревается и замедляется, собираясь в центре и излучая рентгеновские лучи (показаны розовым цветом). Но когда мы используем метод слабого гравитационного линзирования, чтобы восстановить, где находится масса (синим цветом), мы обнаруживаем, что она прошла через звезды.
Поскольку звезды составляют лишь небольшую часть массы обычной материи, мы знаем, что должна быть какая-то форма темной материи, отвечающая за подавляющее большинство (снова около 85%) массы в этих кластерах. Было много кластеров, где это явление было наблюдено, вплоть до групп (выше), всего в несколько раз превышающих размер нашей собственной небольшой локальной группы.
Существует много других независимых способов измерения количества темной материи, недостаточности обычной материи или соотношения темной материи к обычной, включая измерения аномальных скоростей пар галактик, величины акустического пика от барионных акустических осцилляций, недостаточной величины массивных астрофизических компактных объектов (MACHO) в нашей галактике и т. д. Хотя каждое из доказательств само по себе может быть оспорено или заменено альтернативным объяснением, полный набор доказательств указывает на неоспоримое существование темной материи.
Любая Вселенная без нее просто не выглядела бы как наша.
