В 2016 году Scientific American и другие СМИ смело заявили, что галактика Dragonfly 44 почти полностью состоит из тёмной материи.
Оказалось, что это неверно.
Обнаружение галактики, которая действительно содержала бы столько тёмной материи — своего рода «тёмный Млечный Путь», — стало бы колоссальным открытием, ведь объяснить это без тёмной материи было бы невозможно.
«История в деталях» — телеграм канал для тех, кто любит видеть прошлое без прикрас, через неожиданные факты и забытые мелочи. Погружайтесь в историю так, как будто вы там были. Подписывайтесь!
И хотя большинство астрофизиков убеждены в существовании тёмной материи, её ещё никогда не удалось напрямую зафиксировать, и ни одного кандидата на роль такой частицы не наблюдали нигде во Вселенной. Поэтому всегда остаётся пространство для альтернативных теорий гравитации, которые объясняют устройство космоса без привлечения тёмной материи.
Признаем: это очень трудно сделать.
Доказательства существования тёмной материи
Следы тёмной материи наблюдаются на разных масштабах. Самый малый масштаб, насколько мы знаем, — это размер галактики. В шаровых скоплениях, которые меньше, эффекты тёмной материи мы не видим. Тем более их нет в пределах Солнечной системы или на Земле.
Галактики вращаются слишком быстро для того количества вещества, которое мы в них видим. Именно так тёмная материя была впервые «открыта». Скорость движения звёзд можно измерить по их красному смещению. Этот эффект Доплера, благодаря которому сирена скорой помощи звучит выше при приближении и ниже при удалении, показывает нам, с какой скоростью звёзды вращаются вокруг центра галактики. Он также даёт информацию о звёздах в галактиках, которые вообще не вращаются.
Во всех этих случаях звёзды на окраинах галактик движутся так быстро, что должны были бы вылететь из них, но каким-то образом остаются связанными.
Стандартное объяснение: существует ореол тёмной материи вокруг внешних областей галактики. Этот ореол полностью невидим, но удерживает звёзды, словно водоворот.
На более крупных масштабах тёмная материя обнаруживается благодаря искривлению света — слабому гравитационному линзированию. Оно возникает, когда свет от галактик, находящихся за скоплением, проходит через само скопление и искривляется. Астрономы измеряют степень искажения, чтобы определить количество вещества в скоплении.
Наиболее известный пример такого линзирования — Скопление «Пуля» (Bullet Cluster). Там распределение видимого вещества (показано розовым) и тёмной материи (синим) не совпадает.
На ещё больших масштабах — масштабе всей Вселенной — тёмная материя оказывается критически важной для формирования галактик. Без неё галактик просто не было бы.
Особенно важна Космическая микроволновая фоновая радиация (КМБ) — эхо Большого взрыва, появившееся примерно через 300 тысяч лет после начала, когда Вселенная стала прозрачной. Спектр её колебаний показывает и геометрию космоса, и роль тёмной материи.
Третий пик на этом спектре (и все нечётные пики) усиливаются именно тёмной материей.
По этим причинам физики приходят к выводу, что тёмная материя существует, даже если мы не можем её напрямую зарегистрировать.
Альтернативы тёмной материи
Теории вроде Модифицированной ньютоновской динамики (MOND) пытаются объяснить наблюдаемое без тёмной материи. Но у них проблемы: чтобы объяснить разные эффекты, приходится использовать разные предположения. Хуже того, MOND делает предсказания, которые мы знаем как ложные (например, небольшие отклонения орбит планет).
Кроме того, были обнаружены галактики почти без тёмной материи (NGC1052-DF2 и NGC1052-DF4). Для MOND это противоречие. Сторонники объясняют, что их соседство с большой галактикой NGC 1052 искажает картину.
Есть и другие модифицированные теории, например MoG, но они часто работают хуже.
Таким образом, ни простые модели гравитации, ни простые модели частиц не объясняют всё.
Почему не существует «чисто тёмных» галактик
Мы никогда не обнаружили галактику, полностью состоящую из тёмной материи, и, вероятно, не обнаружим.
Казалось бы: тёмная материя невидима, значит, мы не можем её увидеть. Но мы могли бы уловить её гравитационное влияние или линзирование.
Согласно нынешней теории, галактики формируются из ореолов тёмной материи. Тогда во Вселенной должно быть много маленьких ореолов, где звёзды так и не образовались. Где они?
Вероятно, мы их не найдём, даже с новыми телескопами.
Сегодня считается, что тёмной материи во Вселенной примерно 30%, тогда как обычной — лишь 5%. Где же она вся?
Один вариант: тёмной материи нет, и правы сторонники MOND.
Другой вариант: частицы тёмной материи существуют, но ведут себя особым образом.
Модели тёмной материи
- Холодная тёмная материя (CDM): частицы медленные и взаимодействуют только гравитационно. Но она плохо объясняет структуру карликовых галактик.
- Тёплая тёмная материя (WDM): очень лёгкие частицы, двигавшиеся быстро в ранней Вселенной. Они задают нижний предел размера ореолов. В качестве кандидата рассматривается стерильный нейтрино.
- Самовзаимодействующая тёмная материя (SIDM): её частицы могут обмениваться энергией между собой, сглаживая плотность в центрах галактик. Сюда относятся «тёмные фотоны», «тёмные электроны» и т. д.
Всё это означает, что простая картина «холодной» тёмной материи, доминировавшая десятилетиями, может быть заменена более сложной моделью.
Взгляд Веры Рубин
Закончим словами великой астрономки Веры Рубин (1988):
Астрономы любят говорить, что тёмная материя может быть холодными планетами, мёртвыми звёздами, кирпичами или бейсбольными битами. Физики — что это миллиарды мини-чёрных дыр, или несколько макси-чёрных дыр, или какой-нибудь экзотический тип частиц, допускаемый теорией, но никогда не наблюдаемый. Что бы это ни было, оно становится главным компонентом нашей Вселенной…
Для тех, кто не верит в массивные ореолы и невидимое вещество, остаётся тяжёлый путь — изменить закон Ньютона на больших расстояниях. Но для большинства астрономов и физиков это куда травматичнее, чем признать существование материи, которая не излучает.
Какова бы ни была природа этой материи и сколько бы её ни оказалось, сегодня мы понимаем: распределение света — ненадёжный показатель распределения вещества во Вселенной. Иронично, но мы осознаём, что всю историю астрономии мы изучали лишь несколько процентов космоса, которые светятся… Несомненно, грядущие поколения учёных ждут большие сюрпризы, когда они будут разгадывать загадки этой повсеместной материи, не выдающей себя светом.