Природа тёмной материи: наблюдательные свидетельства и физическая сущность
Тёмная материя представляет собой форму материи, которая не взаимодействует с электромагнитным излучением, а потому не излучает, не отражает и не поглощает свет. Её существование выявляется исключительно по гравитационному воздействию на видимую материю, излучение и крупномасштабную структуру Вселенной.
Одним из наиболее ранних и убедительных свидетельств существования тёмной материи стали наблюдения вращательных кривых спиральных галактик. Согласно законам Кеплера и ньютоновской гравитации, орбитальная скорость звёзд на периферии галактик должна уменьшаться с расстоянием от центра. Однако измерения показывают, что скорость остаётся постоянной или даже слегка растёт. Это указывает на присутствие невидимой массы, распределённой в виде гало, охватывающего галактику.
Гравитационное линзирование — явление отклонения света массивными объектами — позволяет измерять массу скоплений галактик независимо от их светимости. Наблюдаемое линзирование существенно превышает вклад видимой материи, что свидетельствует о наличии большого количества невидимой массы. Особенно убедительными являются наблюдения сильного линзирования в скоплениях, таких как Abell 1689 и “пуля-кластер” (Bullet Cluster), где распределения барионной и тёмной материи можно разделить пространственно.
Анализ малых флуктуаций температуры реликтового излучения, зафиксированных миссиями WMAP и Planck, позволяет с высокой точностью оценить параметры ΛCDM-модели (Λ-холодная тёмная материя). Согласно этим данным, около 26% плотности энергии Вселенной составляет тёмная материя, при этом на обычную (барионную) материю приходится лишь 4–5%.
Сформированная структура Вселенной — от сверхскоплений до пустот — требует наличия невидимой компоненты, которая могла бы начать гравитационную неустойчивость ещё до рекомбинации, когда барионная материя была связана с фотонным излучением. Холодная тёмная материя, неспособная к быстрому движению, обеспечивает эффективное образование таких структур, согласующихся с наблюдаемой статистикой распределения галактик.
Хотя точный состав тёмной материи неизвестен, рассматривается несколько классов гипотетических частиц:
WIMPs (слабо взаимодействующие массивные частицы) — наиболее популярные кандидаты, предполагающие новые физические взаимодействия, выходящие за пределы Стандартной модели. Их поиски ведутся с помощью детекторов прямого взаимодействия (например, XENONnT, LUX-ZEPLIN), а также на коллайдерах.
Аксионы — гипотетические лёгкие частицы, предложенные для решения проблемы CP-нарушения в сильном взаимодействии. Их обнаружение требует совершенно иного подхода, основанного на их превращении в фотоны в магнитном поле (эксперименты ADMX и др.).
Стерильные нейтрино — гипотетические нейтрино, не взаимодействующие через стандартные слабые взаимодействия, могут служить кандидатами на т.н. “тёплую тёмную материю”.
Модификации гравитации — альтернативный подход, заключающийся не в введении невидимой материи, а в изменении закона гравитации на больших масштабах (например, теория MOND). Однако такие теории испытывают серьёзные трудности при объяснении гравитационного линзирования и реликтового излучения.
Тёмная энергия: расширение Вселенной и космологическая постоянная
В конце XX века было установлено, что расширение Вселенной ускоряется — открытие, сделанное на основе наблюдений далёких сверхновых типа Ia. Это открытие потребовало введения новой компоненты — тёмной энергии, обладающей отрицательным давлением и составляющей около 70% общей плотности энергии Вселенной.
Тёмная энергия характеризуется параметром уравнения состояния: $w = \frac{p}{\rho c^2},$ где p — давление, ρ — плотность. Для космологической постоянной Λ, предложенной Эйнштейном, w = −1. Такой компонент остаётся неизменной по плотности с течением времени и вызывает экспоненциальное ускорение расширения Вселенной в будущем.
Роль тёмной энергии описывается в рамках уравнения Фридмана:
$$ H^2 = \frac{8\pi G}{3}\left( \rho_m + \rho_r + \rho_\Lambda \right) - \frac{k c^2}{a^2}, $$
где ρm, ρr, ρΛ — плотности материи, излучения и тёмной энергии соответственно, а a(t) — масштабный фактор.
Сверхновые типа Ia: стандартные свечи, позволяющие измерить расстояния до далёких галактик. Они показали, что галактики удаляются быстрее, чем предсказывала модель с замедленным расширением.
Космический микроволновый фон: наблюдаемая структура флуктуаций температуры реликтового излучения требует плоской геометрии Вселенной, но видимая и тёмная материя обеспечивают только ~30% от критической плотности. Оставшиеся ~70% приписываются тёмной энергии.
Барионные акустические осцилляции (BAO): флуктуации плотности в ранней Вселенной оставили след в распределении галактик. Измерения BAO позволяют определить масштабный фактор и подтверждают ускоренное расширение.
Крупномасштабная структура: темпы роста неоднородностей чувствительны к присутствию тёмной энергии, которая подавляет рост структуры за счёт ускоряющегося расширения.
Космологическая постоянная (Λ) — наиболее простая и хорошо согласующаяся с наблюдениями модель, однако порождает проблему “тонкой настройки”: квантовая теория предсказывает значение энергии вакуума, на 120 порядков превышающее наблюдаемое.
Квинтэссенция — динамическое скалярное поле с переменным уравнением состояния. В таких моделях тёмная энергия изменяется во времени, что может быть проверено в будущем с высокой точностью.
Модифицированные теории гравитации — альтернативы ΛCDM, где ускорение расширения объясняется изменениями в законах гравитации (теории f(R), скалярно-тензорные теории и др.). Требуют тщательной проверки на соответствие наблюдениям и соблюдение принципа эквивалентности.
Совместная роль тёмной материи и тёмной энергии в эволюции Вселенной
Современная космологическая модель ΛCDM основывается на следующих компонентах:
Тёмная материя обеспечила раннее формирование гравитационных потенциальных ям, в которых позже скапливалась барионная материя. Тёмная энергия, напротив, замедляет или подавляет формирование новых структур, начиная с красного смещения z ≈ 0.7, когда её вклад стал доминирующим в динамике Вселенной.
Таким образом, космическая эволюция определяется сложным взаимодействием этих двух невидимых, но фундаментальных компонентов. Несмотря на существенный прогресс в их космологическом и астрофизическом описании, природа тёмной материи и тёмной энергии остаётся одной из главных загадок современной физики.