Загадка тёмной материи: что скрывают 85% Вселенной?

Видимое вещество составляет всего 4–5% от общей массы-энергии Вселенной. Весь остальной объём вещества не может наблюдать напрямую ни один прибор, созданный человечеством. Но как учёные узнали о существовании этого невидимого вещества и что оно может собой представлять? Разобрались, что об этом говорят последние исследования астрофизиков.

На сегодняшний день астрономам известно, что около 23–27% всего вещества Вселенной занимает загадочная субстанция — тёмная материя. Оставшиеся 68–72% приходятся на не менее таинственную тёмную энергию. Это означает, что примерно 95% всей материи во Вселенной остаётся невидимой для современных приборов.

Исследователи не могут увидеть тёмную материю в телескопы, потому что она не поглощает, не отражает и не излучает свет или любую другую форму электромагнитного излучения. Единственный способ узнать о её существовании — это гравитация. Именно тёмная материя служит невидимым каркасом, который удерживает галактики и определяет структуру всего космоса, представляя собой фундаментальный парадокс для современной науки. Сам термин ввёл ещё в 1933 году астроном Фриц Цвикки, чтобы объяснить аномально быстрое движение галактик в скоплении Кома.

Рассмотрим, какие есть доказательства того, что тёмная материя вообще существует.

Первая улика: галактики-нарушители

Главное доказательство существования тёмной материи пришло из наблюдений за вращением галактик. Согласно законам физики Ньютона, звёзды на окраинах галактик должны вращаться медленнее, чем звёзды в центре, где сосредоточена основная масса видимого вещества. Однако астрономы обнаружили аномалию: звёзды на окраинах движутся так быстро, что давно должны были бы разлететься в разные стороны. Это явление получило название «проблема плоских кривых вращения».

Трёхмерная карта распределения тёмной материи, построенная с помощью метода слабого гравитационного линзирования в рамках проекта COSMOS

Эту загадку в 1970-х годах помогла выявить американский астроном Вера Рубин, в честь которой названа новая астрономическая обсерватория в Чили. Вместе с коллегой Кентом Фордом, который разработал для этого высокочувствительный спектрограф, она с высокой точностью измерила скорости звёзд и газовых облаков в галактике Андромеды. Результаты оказались поразительными: объекты на огромном расстоянии от центра вращались почти с той же скоростью, что и объекты вблизи него. Единственным логичным выводом было то, что на движение звёзд влияет какая-то невидимая масса. Это «огромное количество невидимого материала» и назвали тёмной материей. Хотя поначалу научное сообщество отнеслось к этим выводам со скепсисом, накопленные данные в итоге подтвердили их верность. Позже они были подкреплены и другими наблюдениями, например эффектами гравитационного линзирования.

Что известно о тёмной материи

Хотя природа тёмной материи остаётся загадкой, у учёных есть представление о её ключевых свойствах:

У неё есть масса. Это её главное и почти единственное проявление. Именно дополнительная гравитация от этой массы объясняет, почему галактики не разлетаются и как они вообще смогли сформироваться. Обычного вещества во Вселенной для этого просто недостаточно. Тёмная материя формирует вокруг галактик огромные гало и образует в космосе своего рода «паутину», служащую каркасом для крупномасштабной структуры Вселенной.
Она «тёмная». Это свойство означает, что тёмная материя не взаимодействует с электромагнитными силами. Она полностью прозрачна для света, радиоволн и рентгеновских лучей, что делает её невидимой для любых телескопов..
Она «асоциальна». Тёмная материя почти не взаимодействует с обычным веществом, из которого состоят планеты, звёзды и живые существа. Миллиарды её частиц могут пролетать сквозь нас каждую секунду, но мы этого никак не ощущаем.
Считается, что она не состоит из протонов и нейтронов, то есть является небарионной. Кроме того, предполагается, что она «холодная», то есть её частицы движутся медленно.

Главные «подозреваемые» на роль тёмной материи

Учёные рассматривают несколько основных кандидатов, которые могли бы объяснить феномен тёмной материи.

WIMPs (вимпы). Долгое время это была самая популярная гипотеза тёмной материи. Вимпы — это гипотетические, довольно тяжёлые частицы (в 1–1000 раз массивнее протона), которые очень слабо взаимодействуют с осязаемым миром. Их популярность отчасти была вызвана так называемым «чудом вимпов»: теоретические расчёты показывали, что если бы такие частицы существовали, они бы образовались в ранней Вселенной как раз в нужном количестве, чтобы объяснить всю тёмную материю. Однако годы поисков в самых чувствительных детекторах мира и на Большом адронном коллайдере пока не дали результатов, что поставило простейшие модели вимпов под сомнение.
Аксионы. Это другой тип гипотетических частиц, но, в отличие от вимпов, они чрезвычайно лёгкие. Изначально их существование предсказали для решения одной из проблем физики элементарных частиц, известной как «проблема сильного CP-нарушения». Их свойства делают их идеальным кандидатом на роль тёмной материи, и по мере того как поиски вимпов заходили в тупик, аксионы стали выглядеть всё более жизнеспособным вариантом.
Модифицированная гравитация (MOND). А что, если никакой новой частицы нет, и люди просто неправильно понимают гравитацию? Эта альтернативная теория, предложенная в 1983 году, предполагает, что законы Ньютона нужно скорректировать для сред с ускорением ниже порога в ~10⁻¹⁰ м/с², характерных для окраин галактик. Такая модификация позволяет объяснить аномальные скорости вращения звёзд без привлечения тёмной материи. Однако MOND плохо справляется с объяснением явлений в более крупных масштабах, например, в скоплениях галактик и в крупномасштабной структуре Вселенной, где модели с тёмной материей работают гораздо лучше.

Карта распределения тёмной материи при столкновении кластеров галактик

Как учёные ловят следы тёмной материи

Чтобы найти хоть малейший след тёмной материи, учёные испробовали множество методов. Самыми перспективными на сегодняшний день считаются три подхода:

Прямое обнаружение. Учёные строят огромные и сверхчувствительные детекторы глубоко под землёй, чтобы защититься от космических лучей и других помех. Их цель — зафиксировать тот редчайший момент, когда частица тёмной материи всё-таки столкнётся с атомом обычного вещества в детекторе, вызвав крошечную вспышку света или тепла. Для этого используют детекторы на основе сверххолодных кристаллов (CDMS), сжиженных благородных газов вроде ксенона (XENON1T) и даже пузырьковые камеры (PICO) — устройства, позволяющие регистрировать пролёты частиц сквозь толщу перегретой жидкости. Для поиска аксионов создают специальные детекторы (ADMX), использующие сильные магнитные поля для преобразования аксионов в обнаруживаемые фотоны.
Увидеть следы. Астрономы ищут в космосе косвенные признаки существования тёмной материи. Теория предсказывает, что когда две частицы тёмной материи сталкиваются и аннигилируют, могут рождаться обычные частицы, например высокоэнергетические гамма-лучи, нейтрино и позитроны. Космические телескопы, такие как Fermi-LAT, и нейтринные обсерватории, как IceCube, сканируют небо в поисках избытка таких сигналов из областей с высокой концентрацией тёмной материи, например из центра Галактики. Главная сложность здесь — отличить возможный сигнал от фоновых шумов.
Создать в лаборатории. На Большом адронном коллайдере (БАК) физики пытаются создать частицы тёмной материи искусственно. Они сталкивают пучки протонов на околосветовых скоростях. Если в результате такого столкновения родится частица тёмной материи, она никак не проявит себя в детекторах и улетит незамеченной. Однако учёные смогут зафиксировать её появление по «недостающей» энергии и импульсу после столкновения.

Криостат и экран детектора XENON100

В итоге

Тёмная материя остаётся одной из самых фундаментальных загадок современной физики. Убедительные косвенные доказательства — от аномального вращения галактик до гравитационного линзирования и формирования крупномасштабных структур — не оставляют сомнений в её существовании. Но несмотря на десятилетия поисков, её природа всё ещё не раскрыта.

Однако отсутствие прямого обнаружения — это не провал, а важная часть научного процесса. Каждый эксперимент, даже с нулевым результатом, помогает сузить круг поисков и отбросить нежизнеспособные теории, направляя учёных в нужную сторону.

Научпоп