Тёмная материя — одна из загадок современной космологии. Мы не можем её увидеть, потрогать или измерить напрямую, но она существует. И составляет около 80% всей материи во Вселенной, а её гравитационное влияние формирует структуру космоса, удерживая галактики и управляя их эволюцией.
Первые намёки и невидимая сила
История изучения тёмной материи началась в 1930-х годах, когда швейцарский астроном Фриц Цвикки обратил внимание на странное поведение галактик в скоплениях. Они вращались слишком быстро, чтобы их могла удерживать видимая масса звёзд, газа и пыли. Тогда Цвикки и предположил, что существует невидимая «тёмная материя», создающая дополнительную гравитацию.
В 1970-х годах американский астроном Вера Рубин подтвердила эту гипотезу. Она обнаружила, что звёзды на окраинах галактик движутся с такой скоростью, что без дополнительной массы они давно бы разлетелись, словно взбесившаяся карусель.
С тех пор доказательства существования тёмной материи только множились. Она не излучает и не поглощает свет, не взаимодействует с электромагнитными полями, но её гравитация скрепляет космические структуры. Без тёмной материи галактики не смогли бы сформироваться, а Вселенная выглядела бы совсем иначе. Только вот природа этой загадочной субстанции остаётся неизвестной.
Происхождение тёмной материи
Традиционно считалось, что тёмная материя появилась после Большого взрыва. Однако он был лишь финальной стадией более грандиозного процесса, известного как инфляция.
В первые доли секунды существования Вселенной квантовые силы вызвали сверхбыстрое расширение пространства, невероятно растянув его со скоростью больше скорости света. Когда эти силы угасли, они превратились в частицы и излучение, из которых позже сформировались звёзды, планеты и галактики. Но, возможно, тёмная материя возникла ещё раньше?
В 2019 году Томми Тенканен из Университета Джонса Хопкинса предложил смелую гипотезу: тёмная материя могла родиться в эпоху инфляции, когда Вселенной было меньше одной триллионной триллионной триллионной секунды, раньше всех частиц и излучений.
В 2024 году Кэтрин Фриз из Техасского университета развила эту идею, представив модель WIFI (тёплая инфляция во время заморозки). Согласно этой теории, тёмная материя формировалась на ранних стадиях инфляции, когда квантовые силы только начинали сталкиваться. Удивительно, но стремительное расширение космоса не «разбавило» эти частицы. Их количество осталось стабильным, и они сохранились до наших дней, пронизывая каждую галактику.
Тёмные карлики
Недавно учёные предложили ещё одну интригующую идею: тёмная материя может быть не только невидимой силой, но и источником энергии для необычных космических объектов — «тёмных карликов». Эти звездообразные тела светятся благодаря аннигиляции частиц тёмной материи. Их открытие способно пролить свет на природу этой загадочной субстанции.
Тёмные карлики, предположительно, возникают из коричневых карликов — так называемых «неудавшихся звёзд». Коричневые карлики слишком малы, чтобы поддерживать термоядерный синтез, как обычные звёзды, и со временем остывают, угасая. Однако в областях с высокой плотностью тёмной материи, например, в центре Млечного Пути, они могут захватывать частицы тёмной материи (предположительно слабо взаимодействующие массивные частицы). Когда эти частицы сталкиваются и аннигилируют друг с другом, они выделяют энергию, которая поддерживает свечение тёмного карлика. Теоретически, такие объекты могут светиться вечно.
Как отличить тёмный карлик от обычного коричневого? Учёные предлагают искать редкий изотоп литий-7. В обычных звёздах он быстро выгорает, но в тёмных карликах, где энергия поступает от тёмной материи, литий-7 сохраняется. Обнаружение тёмных карликов в центре Галактики откроет уникальную возможность изучить корпускулярную природу тёмной материи.