Темная материя — одна из величайших тайн современной астрофизики. Эта субстанция не испускает, не поглощает и не отражает электромагнитное излучение, оставаясь невидимой, но при этом на нее приходится около 26,5% массы-энергии нашей Вселенной. С чего вообще ученые решили, что темная материя существует, если они не могут ее увидеть? Рассмотрим пять самых убедительных доказательств.
Открытие Веры Рубин
В конце 1960-х годов астрофизик Вера Рубин и ее коллега Кент Форд изучали вращение спиральной галактики Андромеды, находящейся на расстоянии около 2,5 миллиона световых лет от Земли. Согласно законам Кеплера и Ньютона, скорость вращения звезд должна уменьшаться по мере удаления от центра галактики — подобно тому, как скорость планет уменьшается по мере удаления от Солнца.
Однако наблюдения показали иное: звезды на окраинах двигались столь же быстро, как и в центре. Это противоречило расчетам и указывало на присутствие невидимой массы, которая своей гравитацией удерживает быстро вращающиеся внешние звезды от разлета. Так родилась концепция "недостающей массы", позже названная темной материей, где слово "темная" указывает на загадочность и неопределенность природы этой субстанции.
Гравитационное линзирование
Общая теория относительности Эйнштейна предсказала, что массивные объекты искривляют пространство-время вокруг себя, заставляя свет изгибаться. Это явление, известное как гравитационное линзирование, позволяет "взвешивать" космические тела.
Наблюдения за скоплениями и сверхскопления галактик показывают, что они искажают свет гораздо сильнее, чем можно было бы ожидать, исходя из их видимой массы. Например, в скоплении Пуля (англ. Bullet Cluster) произошло столкновение двух групп галактик. При этом обычное вещество — горячий газ между галактиками — затормозилось из-за взаимодействия друг с другом при столкновении, подобно тому, как две встречные машины замедляются при аварии.
Однако гравитационное линзирование показало, что основная масса скоплений (определяемая по искривлению света далеких галактик) находится не там, где сконцентрировался горячий газ, а продолжает двигаться вместе с галактиками, которые прошли друг через друга практически без замедления.
Это означает, что большая часть массы скоплений состоит из невидимой материи, которая не взаимодействует с обычным веществом и поэтому не замедлилась при столкновении — она просто прошла насквозь, как призрак сквозь стену.
Космический микроволновый фон
Реликтовое излучение, возникшее спустя 380 000 лет после Большого взрыва, несет в себе информацию о юной Вселенной. Его мельчайшие температурные флуктуации, измеренные спутниками NASA WMAP и "Планк", отражают соотношение обычного вещества, темной материи и темной энергии (о ней как-нибудь в другой раз).
Анализ этих данных позволил ученым определить, что Вселенная состоит примерно из 5% обычного вещества, 26,5% темной материи и 68,5% темной энергии. Без влияния темной материи структура реликтового излучения была бы совершенно другой.
Формирование крупномасштабной структуры Вселенной
Компьютерное моделирование показывает, что без темной материи галактики и галактические скопления не смогли бы сформироваться за время существования Вселенной (примерно 13,8 миллиарда лет). Барионная (обычная) материя просто не способна обеспечить достаточное гравитационное взаимодействие для образования наблюдаемых нами сегодня структур.
Темная материя, не взаимодействующая с излучением, начала формировать гравитационные "ямы" задолго до появления первых звезд. Эти структуры из темной материи стали каркасом для зарождения первых сверхмассивных черных дыр и формирования галактик, объясняя наблюдаемую "космическую паутину" — сетчатую структуру распределения галактик во Вселенной, где галактики выстраиваются вдоль длинных нитей, словно бусины на проволоке, а между ними зияют огромные пустоты.
Гравитационные эффекты в скоплениях галактик
Измерения температуры горячего газа в скоплениях галактик позволяют определить его давление, а следовательно, и гравитационное поле, удерживающее этот газ. Эти наблюдения показывают, что видимой массы скоплений недостаточно для удержания газа — требуется в 5-10 раз больше массы.
Впервые это заметил и описал астрофизик Фриц Цвикки в 1933 году, изучая скопление Кома, которое включает более 1 300 галактик. Хотя тогда его выводы не получили должного внимания, они стали одним из первых намеков на существование темной материи.
Альтернативы и вызовы
Некоторые астрофизики предлагают альтернативные объяснения наблюдаемых явлений, например, модифицированную ньютоновскую динамику (MOND), которая предполагает, что законы гравитации работают иначе на больших масштабах. Однако эти гипотезы не могут объяснить всю совокупность наблюдений так же успешно, как концепция темной материи.
Несмотря на многочисленные доказательства существования темной материи, ее точная природа остается одной из самых интригующих и величайших загадок современной науки. Ведущие физические лаборатории по всему миру продолжают поиски частиц темной материи, которые могут стать ключом к пониманию фундаментальных законов мироздания. Разгадка природы темной материи поможет объяснить механизмы зарождения и эволюции Вселенной, понять, как формировались первые галактики и звезды, а в конечном счете — как возникли условия для появления жизни на Земле.
