Что такое тёмная материя? Доказательства, кандидаты и поиски — простыми словами

Всё, что мы видим, — от смартфона до звёзд — состоит из обычного вещества. Но астрономы уверены, что эта видимая часть — лишь малая доля того, что существует. Большая часть материи во Вселенной, судя по всему, — это то, чего мы не видим вовсе: тёмная материя.

В этом объяснении разбираем, что такое тёмная материя, почему учёные считают, что она существует, из чего она может состоять и как идут поиски. Тема живая: мы обновляем текст, когда появляются важные результаты, — как на этой неделе, когда исследователи исключили чёрные дыры тяжелее галактик как её существенную часть.

Тёмная материя в одном абзаце

Тёмная материя — это вещество, у которого есть масса и гравитация, но которое не взаимодействует со светом. Она не светится, не поглощает и не отражает свет, поэтому телескопы не видят её напрямую. О её существовании мы знаем только по тому, как она притягивает то, что видеть можно. По измерениям ранней Вселенной миссией Planck Европейского космического агентства, на обычное вещество приходится лишь около 5% энергетического содержания Вселенной, на тёмную материю — около 27%, а оставшиеся примерно 68% — на тёмную энергию. То есть тёмной материи примерно в пять раз больше, чем обычной.

Откуда мы знаем, что она есть?

Ни одно отдельное наблюдение не доказывает существование тёмной материи. Аргументы сильны потому, что множество независимых доказательств указывают в одну сторону.

1. Скопления галактик движутся слишком быстро

В 1933 году швейцарский астроном Фриц Цвикки измерил, как быстро движутся галактики в скоплении Волосы Вероники. Они двигались слишком быстро, чтобы их удерживала только гравитация видимых галактик. Он предположил, что скопление держит вместе большое количество невидимой «тёмной материи».

2. Края галактик вращаются слишком быстро

В 1970-х Вера Рубин и Кент Форд измеряли, как быстро вращаются звёзды и газ в спиральных галактиках. Если бы основная масса галактики была в её ярком центре, далёкие звёзды должны были бы двигаться медленнее — так же, как дальние планеты медленнее обращаются вокруг Солнца. Вместо этого скорости оставались почти постоянными вплоть до окраин. Самое простое объяснение: каждая галактика находится внутри гораздо большего невидимого гало из тёмной материи. Считается, что оно есть и у нашего Млечного Пути.

3. Гравитация искривляет свет сильнее, чем должна

Масса искривляет свет — это гравитационное линзирование. Измеряя, как искажены далёкие галактики, астрономы могут составить карту массы в скоплении — независимо от того, светится она или нет. Такие карты стабильно показывают гораздо больше массы, чем дают видимые звёзды и газ. Для телескопов «Хаббл» и нового телескопа имени Нэнси Грейс Роман линзирование — ключевой инструмент, и оно даёт впечатляющие снимки, как эта гравитационная линзовая дуга.

4. Скопление Пуля

На обложке — скопление Пуля (Bullet Cluster): два скопления галактик, прошедшие друг сквозь друга. Рентгеновские телескопы показывают, где оказался горячий газ — основная часть обычного вещества скоплений (розовым). Линзирование показывает, где сосредоточена большая часть массы (синим). И это разные места. Газ при столкновении затормозил, а основная масса прошла насквозь. Именно этого стоит ожидать, если большая часть массы — тёмная материя, которая почти ни с чем не взаимодействует. Объяснить это простым изменением законов гравитации сложно.

5. Детское фото Вселенной

Реликтовое излучение — свет, вырвавшийся на свободу примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. Крошечные перепады температуры в нём, детально нанесённые на карту миссиями WMAP (NASA) и Planck (ЕКА), фиксируют, сколько тогда было обычной и тёмной материи. Узор соответствует Вселенной, где тёмной материи примерно в пять раз больше. Компьютерные симуляции также показывают, что без тёмной материи галактики не успели бы сформироваться так, как мы видим.

Чем тёмная материя не является

• Не обычный тёмный газ или пыль. Газ и пыль поглощают и излучают свет на определённых длинах волн, а реликтовое излучение и распространённость лёгких элементов ограничивают, сколько обычного вещества может существовать.
• Не тёмная энергия. Несмотря на похожее название, это другая загадка. Тёмная материя стягивает вещество гравитацией. Тёмная энергия — то, что заставляет расширение Вселенной ускоряться; это открыли в 1998 году по далёким сверхновым.
• Не антиматерия. Встреча антиматерии с веществом давала бы гамма-излучение, которое мы бы увидели.
• Не (в основном) нейтрино. Нейтрино реальны и невидимы, но слишком лёгкие и быстрые, чтобы сформировать галактики такими, какими мы их видим. Большинство моделей требует «холодной», медленной тёмной материи.

Главные кандидаты

Вариант с чёрными дырами всё сужается. Исследования микролинзирования, реликтового излучения и других данных исключили многие размеры; самая свежая работа показала, что невероятно большие чёрные дыры массой более 100 миллиардов Солнц не могут быть значительной частью тёмной материи. Крошечные, массой с астероид, ещё возможны.

Как её ищут

Есть три основных подхода:

1. Прямое обнаружение. Огромные резервуары с жидким ксеноном или другими веществами размещают глубоко под землёй, защищёнными от космических лучей, и ждут, пока частица тёмной материи столкнётся с атомом. Среди ведущих экспериментов — LZ в Южной Дакоте, XENONnT в Италии и PandaX в Китае. Убедительного сигнала пока нет, и это исключило большие области возможных свойств WIMP.
2. Создание. Ускорители частиц, например Большой адронный коллайдер в CERN, ищут столкновения, где энергия как будто «пропадает», — возможный признак рождения невидимых частиц.
3. Косвенное обнаружение. Телескопы ищут гамма-лучи, антиматерию или нейтрино, которые могли бы возникать при аннигиляции или распаде частиц тёмной материи там, где её должно быть много, например в центре нашей Галактики.

Тем временем астрономы составляют карты тёмной материи в космических масштабах. Космический телескоп ЕКА Euclid, запущенный в 2023 году, и наземные обзоры вроде обсерватории имени Веры Рубин измеряют формы миллиардов галактик, чтобы нанести тёмную материю на карту через слабое линзирование. Радиотелескопы также ищут странные объекты вроде беззвёздных тёмных галактик: свежий пример — одинокое облако водорода, найденное китайским телескопом FAST.

А если тёмной материи нет вовсе?

Меньшинство физиков считает, что вместо невидимого вещества нужно поправить теорию гравитации при очень малых ускорениях. Самая известная идея — MOND (модифицированная ньютоновская динамика), которую предложил Мордехай Милгром в 1983 году. MOND удивительно хорошо предсказывает вращение отдельных галактик, но испытывает трудности со скоплениями галактик, скоплением Пуля и детальным узором реликтового излучения. Поэтому большинство космологов по-прежнему отдают предпочтение тёмной материи. Спор полезен: каждое новое измерение проверяет обе идеи.

Можно ли «увидеть» тёмную материю самому?

Напрямую — нет, никакой любительский телескоп её не покажет. Но её влияние видно косвенно: каждая галактика, на которую вы смотрите в телескоп для начинающих, по-видимому, находится внутри гало тёмной материи, которое в несколько раз больше и тяжелее её видимого диска.