Наблюдательные данные о вращении галактик, движении скоплений галактик и реликтовом излучении указывают на наличие компоненты материи, не взаимодействующей с электромагнитным излучением. Это вещество не испускает и не поглощает свет, и его присутствие выявляется исключительно по гравитационному воздействию. Совокупность всех подобных наблюдений свидетельствует о существовании тёмной материи, на долю которой приходится около 27% общей энергии Вселенной.
Ротационные кривые галактик Одним из первых убедительных доказательств существования тёмной материи стали измерения кривых вращения спиральных галактик. Если бы вся масса галактики была сосредоточена в видимых звёздах, скорость вращения должна бы убывать с расстоянием от центра. Однако наблюдения показывают, что скорость остаётся почти постоянной, начиная с некоторого радиуса. Это требует наличия дополнительной массы, распределённой в гало вокруг галактики.
Гравитационное линзирование Другим мощным методом выявления тёмной материи является гравитационное линзирование. Масса, искривляющая свет далёких объектов, может быть измерена без знания её природы. Анализ скоплений галактик показывает, что масса, определяемая из линзирования, существенно превышает массу, заключённую в звёздах и горячем газе, наблюдаемом в рентгеновском диапазоне.
Космологические данные Анизотропия реликтового излучения, зафиксированная спутниками WMAP и Planck, содержит информацию о плотности барионного и небарионного вещества. Современные данные строго ограничивают долю обычной (барионной) материи на уровне около 5%, тогда как тёмная материя составляет примерно в пять раз больше.
Тёмная материя должна быть стабильной, слабо взаимодействующей и холодной (т.е. медленно движущейся при эпохе формирования структур). Среди гипотетических кандидатов:
WIMPs (слабо взаимодействующие массивные частицы) Наиболее популярная категория частиц, возникающая в расширениях Стандартной модели, например, в теориях суперсимметрии. Эти частицы могли бы аннигилировать с образованием фотонов, нейтрино или других вторичных частиц. Однако многочисленные поиски прямыми методами (например, в экспериментах LUX, XENONnT, PandaX) не дали пока достоверного сигнала.
АКОны (Axions) Лёгкие скалярные частицы, предложенные в связи с проблемой сильного CP-нарушения в квантовой хромодинамике. Они могут образовывать конденсат, ведущий к эффектам, эквивалентным тёмной материи. Их ищут при помощи резонансных радиочастотных детекторов, таких как ADMX.
Стерильные нейтрино Гипотетические нейтрино, не взаимодействующие с другими частицами, кроме гравитационно. При определённых массах они могут быть кандидатом в тёплую тёмную материю. Некоторые косвенные признаки (например, линия в 3.5 кэВ в рентгеновском излучении) интерпретируются как возможные следы распада стерильных нейтрино, но это остаётся спорным.
Формирование космических структур — галактик, скоплений, нитей и войдов — невозможно без компоненты, которая гравитационно коллапсирует уже на ранних этапах, но не взаимодействует с фотонами. Барионная материя, связанная с фотонами до рекомбинации, не могла образовать сгустки до отделения от излучения. Тёмная материя обеспечила гравитационные потенциальные ямы, в которых позже осели барионы, образовав видимую Вселенную.
Моделирование в рамках ΛCDM (холодная тёмная материя с космологической постоянной) точно воспроизводит крупномасштабную структуру Вселенной, спектр флуктуаций, рост неоднородностей и образование галактик. Отклонения на малых масштабах (например, проблема избыточного количества спутников у Млечного Пути) могут быть следствием астрофизических эффектов или свидетельством более сложной природы тёмной материи.
Наблюдения сверхновых Ia типа, выполненные в конце 1990-х годов (Supernova Cosmology Project и High-Z Supernova Search), показали, что Вселенная расширяется с ускорением. Это требует наличия формы энергии с отрицательным давлением, которая доминирует на масштабах космологического горизонта. Эта компонентная получила название тёмной энергии, и на её долю приходится около 68% общего баланса энергии Вселенной.
Космологическая постоянная Λ Наиболее простая и широко принятая модель тёмной энергии — это космологическая постоянная, введённая Эйнштейном в уравнения общей теории относительности. В интерпретации современной космологии Λ — это вакуумная энергия, равномерно заполняющая пространство. Её плотность остаётся постоянной во времени, а давление отрицательно: p = −ρ
Однако существует серьёзная проблема несоответствия между наблюдаемым значением Λ и теоретическим предсказанием вакуумной энергии из квантовой теории поля. Разница может составлять до 120 порядков величины — это самое большое расхождение между теорией и наблюдением в физике.
Квинтэссенция Модель, в которой тёмная энергия представлена скалярным полем, медленно эволюционирующим с течением времени. В отличие от Λ, плотность энергии поля может меняться, а уравнение состояния определяется как: $w = \frac{p}{\rho}$ где w ≠ −1, но близко к нему. Наблюдения пока не дают чёткого отклонения от значения w = −1.
k-эссенция, фантомные поля, хаптономные теории Эти более сложные модели вводят нетривиальные кинетические члены в лагранжиан поля, что позволяет моделировать различную динамику расширения. Некоторые из них допускают даже «большой разрыв» (Big Rip) — гипотетический конец Вселенной при w < −1, когда тёмная энергия приводит к распаду всех структур.
Модификации гравитации Вместо введения тёмной энергии возможно, что ОТО требует обобщения на больших масштабах. Среди таких моделей: теории f(R), скалярно-тензорные теории, DGP-модели (бранные вселенные), теория MOND и её релятивистское обобщение TeVeS. Многие из них сталкиваются с трудностями в описании одновременно космологических и локальных (солнечной системы) наблюдений.
Для изучения природы тёмной материи и энергии используются следующие основные источники:
Хотя эти компоненты различаются по своим физическим свойствам и поведению, существует гипотеза о возможной связи между ними. Некоторые теории предполагают, что обе являются проявлениями более глубокой структуры — например, связаны через скалярное поле или индуцированы эффектами многомерности пространства-времени. Однако надёжных наблюдательных подтверждений этим предположениям пока не найдено.
Окончательное понимание природы тёмной материи и тёмной энергии требует как новых экспериментальных данных, так и концептуальных прорывов в теоретической физике.