Феномен вращения галактик и недостающая масса
Одним из ключевых доказательств существования тёмной материи служит анализ вращательных кривых галактик. Согласно законам ньютоновской динамики, скорость вращения звезды на периферии галактики должна убывать с увеличением расстояния от центра, как это наблюдается в планетных системах. Однако астрономические наблюдения показывают, что во внешних областях галактик скорости вращения остаются почти постоянными или даже возрастают. Это означает, что масса, создающая гравитационное притяжение, не сконцентрирована в центре, а распределена более равномерно и в гораздо большем объёме, чем масса видимого вещества.
Эти наблюдения привели к предположению о существовании невидимой компоненты материи — тёмной материи, которая гравитационно взаимодействует с обычным веществом, но не излучает, не поглощает и не рассеивает электромагнитное излучение.
Гравитационное линзирование как метод обнаружения тёмной материи
Согласно общей теории относительности, массивные тела искривляют пространство-время, отклоняя траектории световых лучей. Это приводит к явлению гравитационного линзирования — искажению изображений удалённых источников света, таких как галактики и квазары.
Анализ статистики слабого и сильного линзирования позволяет реконструировать распределение массы, в том числе невидимой. При этом неоднократно наблюдались ситуации, когда масса, оценённая через эффект линзирования, значительно превышает массу, заключённую в наблюдаемом веществе. Классическим примером является скопление галактик «Пуля» (Bullet Cluster), где наблюдается пространственное разделение между барионной материей (определяемой по рентгеновскому излучению горячего газа) и гравитационным потенциалом (определённым по слабому линзированию), что служит веским аргументом в пользу существования тёмной материи.
Космологические аргументы: флуктуации реликтового излучения и модель ΛCDM
Данные, полученные в результате наблюдений космического микроволнового фона (КМФ) с помощью спутников WMAP и Planck, позволяют определить параметры космологической модели с высокой точностью.
Флуктуации температуры КМФ несут информацию о плотности различных компонент вещества на момент рекомбинации (~380 000 лет после Большого взрыва). Моделирование этих флуктуаций с учётом тёмной материи приводит к спектру, который хорошо согласуется с наблюдениями. Из этих данных следует, что доля тёмной материи составляет около 27% от общей плотности энергии Вселенной, при том, что доля обычного (барионного) вещества составляет лишь около 5%.
Роль тёмной материи в формировании крупномасштабной структуры Вселенной
Тёмная материя играет важнейшую роль в росте космических структур. Согласно современным представлениям, первичные квантовые флуктуации плотности в ранней Вселенной выросли под действием гравитации в крупномасштабные структуры: галактики, скопления галактик, сверхскопления. Однако рост флуктуаций барионного вещества до образования нейтральных атомов был затруднён взаимодействием с излучением. Тёмная материя, не взаимодействуя с фотонами, могла начать коллапсировать гораздо раньше, формируя гравитационные потенциалы, в которые позднее стекалось барионное вещество.
Компьютерное моделирование формирования структуры Вселенной (например, Millennium Simulation) показывает, что наблюдаемое распределение галактик, их групп и скоплений может быть получено только при наличии значительного вклада невидимой массы, поведение которой соответствует холодной тёмной материи (CDM — Cold Dark Matter).
Свойства и кандидаты на роль тёмной материи
На основании наблюдений можно определить следующие свойства тёмной материи:
Среди гипотетических кандидатов на роль частиц тёмной материи можно выделить:
Альтернативные теории: MOND и модификации гравитации
Наличие тёмной материи — это не единственная возможная интерпретация наблюдаемых гравитационных аномалий. Существуют альтернативные подходы, предполагающие модификацию законов гравитации.
Одним из таких подходов является модифицированная ньютоновская динамика (MOND, от англ. Modified Newtonian Dynamics), предложенная Мордехаем Мильгромом в 1983 году. Согласно этой гипотезе, при очень малых ускорениях (меньше некоего порогового значения a₀) сила тяжести перестаёт следовать закону обратных квадратов и ведёт себя иначе. MOND успешно описывает кривые вращения многих галактик без введения тёмной материи, но сталкивается с трудностями при объяснении явлений в скоплениях галактик и в космологии.
Более общими являются теории типа TeVeS (Tensor-Vector-Scalar gravity) или f(R)-гравитация, которые модифицируют саму общую теорию относительности. Однако до настоящего времени ни одна из этих теорий не смогла воспроизвести весь спектр наблюдений с такой точностью и полнотой, как модели с тёмной материей.
Методы экспериментального поиска тёмной материи
Существует три основных направления поиска частиц тёмной материи:
Прямой детектирование. Предполагается, что частицы тёмной материи могут взаимодействовать с ядрами атомов в сверхчувствительных детекторах, расположенных глубоко под землёй для защиты от фонового излучения. Примеры таких экспериментов: XENONnT, LUX-ZEPLIN, PandaX. Несмотря на высокую чувствительность, надёжного сигнала пока не обнаружено.
Непрямой поиск. Здесь учёные пытаются зарегистрировать продукты аннигиляции или распада частиц тёмной материи, например, гамма-кванты или антиматерию, исходящую из галактического центра или скоплений. Такие исследования ведутся с использованием телескопов вроде Fermi-LAT, AMS-02 и HESS.
Создание на ускорителях. С помощью Большого адронного коллайдера (LHC) ведутся поиски частиц, не наблюдаемых напрямую, но проявляющихся в виде несбалансированных импульсов или других «признаков» выхода энергии из стандартных каналов распада.
Современное состояние проблемы
Несмотря на убедительные косвенные свидетельства существования тёмной материи, до сих пор не существует ни одного достоверного прямого наблюдения или лабораторного подтверждения её частиц. Проблема остаётся открытой и является одним из центральных вопросов современной фундаментальной физики и астрофизики.
Тёмная материя — не только ключ к пониманию устройства Вселенной, но и потенциальное окно в физику за пределами Стандартной модели. Успех в её идентификации может привести к революции в понимании природы материи и взаимодействий.