Астрономы уверены, что большая часть вещества во Вселенной невидима: его нельзя увидеть в телескоп, но можно «поймать» по гравитации. Это вещество называют тёмной материей, и по оценкам, оно составляет около 85% всей массы, тогда как на звёзды, газ и пыль приходится лишь малая доля.
Откуда вообще взялась идея тёмной материи
Первые серьёзные намёки появились в XX веке при изучении движения звёзд и газа в галактиках и галактик в скоплениях.
- Кривые вращения спиральных галактик: звёзды на периферии вращаются не медленнее, а примерно с той же скоростью, что и во внутренних областях, хотя видимой массы на краях явно не хватает, чтобы их удержать.
- Движение галактик в скоплениях и температура горячего межгалактического газа показывают, что для гравитационного удержания системы нужно в несколько раз больше массы, чем видно в виде света.
Это наводит на вывод, что вокруг галактики существуют протяжённые невидимые гало — «облака» тёмной материи, массой во много раз превосходящие видимые звёзды.
Как свет показывает невидимую массу
Одно из самых наглядных доказательств — гравитационное линзирование, предсказанное ОТО.
- Масса скопления галактик искривляет пространство так, что свет ещё более далёких галактик искажается и растягивается в дуги и «капли» вокруг скопления.
- По силе этого искажения можно вычислить, какая масса нужна для такого эффекта, и снова выходит, что видимого вещества мало — основная доля скрыта в форме невидимой материи.
Так было, например, показано на ряде скоплений, где карта массы (по линзированию) явно не совпадает с распределением светящейся плазмы.
Из чего может состоять тёмная материя
Тёмная материя почти не взаимодействует со светом и обычным веществом, кроме гравитации, поэтому кандидаты ищут в сфере новой физики.consensus+2
- WIMP‑частицы (слабо взаимодействующие массивные частицы) и аксионы — гипотетические частицы, предсказываемые расширениями Стандартной модели.
- Супертяжёлые частицы, «тёмные фотоны», примордиальные чёрные дыры и другие экзотические кандидаты тоже рассматриваются, но для них пока нет однозначных экспериментальных подтверждений.
Десятки экспериментов под землёй, в космосе и на ускорителях (включая CERN) пытаются зафиксировать прямые следы тёмной материи, однако пока все сигналы либо не подтверждены, либо остаются на уровне ограничений.
Есть ли альтернативы тёмной материи
Существуют и конкурирующие идеи: вместо введения невидимой массы можно изменить законы гравитации на больших масштабах (модифицированная ньютоновская динамика и другие теории). Некоторые из них объясняют отдельные явления, например кривые вращения галактик, но им трудно одновременно описать крупномасштабную структуру Вселенной, реликтовое излучение и линзирование, с чем стандартная модель с тёмной материей справляется лучше.
Почему тёмная материя важна для эволюции Вселенной
Численные симуляции показывают, что именно «каркас» из тёмной материи первым начал сжиматься под действием гравитации и стал каркасом, на котором позже осели обычный газ, звёзды и галактики. Без этой невидимой массы Вселенная выглядела бы иначе: крупномасштабная сеть скоплений и нитей, распределение галактик и скорость их движения были бы несовместимы с наблюдениями.
Так что, даже не видя тёмную материю напрямую, космология сегодня буквально «строится» вокруг неё — от первых флуктуаций плотности после Большого взрыва до структуры скоплений галактик в современную эпоху.
