Що таке темна матерія? Докази, кандидати й пошуки — простими словами

Усе, що ми бачимо, — від смартфона до зірок — складається зі звичайної речовини. Проте астрономи впевнені, що ця видима частина — лише невелика дещиця того, що існує. Більшість матерії у Всесвіті, схоже, становить те, чого ми взагалі не бачимо: темна матерія.

У цьому поясненні розбираємо, що таке темна матерія, чому вчені вважають, що вона існує, з чого може складатися і як ідуть пошуки. Тема жива: ми оновлюємо текст, коли з'являються важливі результати, як-от цього тижня, коли дослідники виключили чорні діри, важчі за галактики, як суттєву її частину.

Темна матерія в одному абзаці

Темна матерія — це речовина, яка має масу й гравітацію, але не взаємодіє зі світлом. Вона не світиться, не поглинає й не відбиває світло, тож телескопи не бачать її напряму. Про її існування ми знаємо лише з того, як вона притягує те, що бачити можна. За вимірюваннями раннього Всесвіту місією Planck Європейського космічного агентства, на звичайну речовину припадає лише близько 5% енергетичного вмісту Всесвіту, на темну матерію — близько 27%, а решта, приблизно 68%, — на темну енергію. Тобто темної матерії приблизно вп'ятеро більше, ніж звичайної.

Звідки ми знаємо, що вона є?

Жодне окреме спостереження не доводить існування темної матерії. Аргументи сильні тому, що багато незалежних доказів вказують в одному напрямку.

1. Скупчення галактик рухаються надто швидко

У 1933 році швейцарський астроном Фріц Цвіккі виміряв, як швидко рухаються галактики в скупченні Волосся Вероніки. Вони рухалися надто швидко, щоб їх утримувала лише гравітація видимих галактик. Він припустив, що скупчення тримає разом велика кількість невидимої «темної матерії».

2. Краї галактик обертаються надто швидко

У 1970-х Віра Рубін і Кент Форд вимірювали, як швидко обертаються зорі й газ у спіральних галактиках. Якби основна маса галактики була в її яскравому центрі, далекі зорі мали б рухатися повільніше — так само, як далекі планети обертаються навколо Сонця повільніше. Натомість швидкості залишалися майже сталими аж до околиць. Найпростіше пояснення: кожна галактика перебуває всередині значно більшого невидимого гало з темної матерії. Вважається, що воно є й у нашого Чумацького Шляху.

3. Гравітація викривлює світло сильніше, ніж мала б

Маса викривлює світло — це гравітаційне лінзування. Вимірюючи, як спотворені далекі галактики, астрономи можуть скласти карту маси в скупченні — незалежно від того, світиться вона чи ні. Такі карти стабільно показують значно більше маси, ніж дають видимі зорі й газ. Для телескопів «Габбл» і нового телескопа імені Ненсі Грейс Роман лінзування — ключовий інструмент, і воно дає вражаючі знімки, як-от цю гравітаційну лінзову дугу.

4. Скупчення Куля

На обкладинці — скупчення Куля (Bullet Cluster): два скупчення галактик, що пройшли одне крізь одне. Рентгенівські телескопи показують, де опинився гарячий газ — основна частина звичайної речовини скупчень (рожевим). Лінзування показує, де зосереджена більша частина маси (синім). І це різні місця. Газ під час зіткнення загальмував, а основна маса пройшла крізь нього. Саме цього слід очікувати, якщо більшість маси — темна матерія, яка майже ні з чим не взаємодіє. Пояснити це простою зміною законів гравітації складно.

5. Дитяче фото Всесвіту

Реліктове випромінювання — світло, що вирвалося на волю приблизно через 380 000 років після Великого вибуху. Крихітні перепади температури в ньому, детально картографовані місіями WMAP (NASA) і Planck (ЄКА), фіксують, скільки тоді було звичайної й темної матерії. Візерунок відповідає Всесвіту, де темної матерії приблизно вп'ятеро більше. Комп'ютерні симуляції також показують, що без темної матерії галактики не встигли б сформуватися так, як ми бачимо.

Чим темна матерія не є

• Не звичайний темний газ чи пил. Газ і пил поглинають і випромінюють світло на певних довжинах хвиль, а реліктове випромінювання й поширеність легких елементів обмежують, скільки звичайної речовини може існувати.
• Не темна енергія. Попри схожу назву, це інша загадка. Темна матерія стягує речовину гравітацією. Темна енергія — те, що змушує розширення Всесвіту прискорюватися; це відкрили 1998 року за далекими наднових.
• Не антиматерія. Зустріч антиматерії з речовиною давала б гамма-випромінювання, яке ми б побачили.
• Не (переважно) нейтрино. Нейтрино реальні й невидимі, але надто легкі та швидкі, щоб сформувати галактики такими, якими ми їх бачимо. Більшість моделей потребує «холодної», повільної темної матерії.

Головні кандидати

Варіант із чорними дірами дедалі звужується. Дослідження мікролінзування, реліктового випромінювання та інших даних виключили багато розмірів; найсвіжіша робота показала, що неймовірно великі чорні діри, масою понад 100 мільярдів Сонць, не можуть бути значною частиною темної матерії. Крихітні, з масою астероїда, ще можливі.

Як її шукають

Є три основні підходи:

1. Пряме виявлення. Величезні резервуари з рідким ксеноном чи іншими речовинами розміщують глибоко під землею, захищеними від космічних променів, і чекають, поки частинка темної матерії зіткнеться з атомом. Серед провідних експериментів — LZ у Південній Дакоті, XENONnT в Італії та PandaX у Китаї. Переконливого сигналу поки немає, і це виключило великі ділянки можливих властивостей WIMP.
2. Створення. Прискорювачі частинок, як-от Великий адронний колайдер у CERN, шукають зіткнення, де енергія ніби «зникає», — можливу ознаку народження невидимих частинок.
3. Непряме виявлення. Телескопи шукають гамма-промені, антиматерію чи нейтрино, які могли б з'являтися під час анігіляції або розпаду частинок темної матерії там, де її має бути багато, наприклад у центрі нашої Галактики.

Тим часом астрономи складають карти темної матерії в космічних масштабах. Космічний телескоп ЄКА Euclid, запущений 2023 року, та наземні огляди, як-от обсерваторія імені Віри Рубін, вимірюють форми мільярдів галактик, щоб картографувати темну матерію через слабке лінзування. Радіотелескопи також шукають дивні об'єкти на кшталт беззоряних темних галактик: свіжий приклад — самотня хмара водню, знайдена китайським телескопом FAST.

А якщо темної матерії взагалі немає?

Меншість фізиків вважає, що замість невидимої речовини треба підправити теорію гравітації при дуже малих прискореннях. Найвідоміша ідея — MOND (модифікована ньютонівська динаміка), яку запропонував Мордехай Мілгром 1983 року. MOND напрочуд добре передбачає обертання окремих галактик, але має труднощі зі скупченнями галактик, скупченням Куля та детальним візерунком реліктового випромінювання. Тому більшість космологів досі віддає перевагу темній матерії. Суперечка корисна: кожне нове вимірювання перевіряє обидві ідеї.

Чи можна «побачити» темну матерію самому?

Напряму — ні, жоден аматорський телескоп її не покаже. Але її вплив можна побачити опосередковано: кожна галактика, на яку ви дивитеся в телескоп для початківців, імовірно, перебуває всередині гало темної матерії, яке в кілька разів більше й важче за її видимий диск.