Проблема невидимой массы во Вселенной
Современные астрономические наблюдения, начиная от динамики галактик и заканчивая крупномасштабной структурой Вселенной, убедительно указывают на существование значительного количества материи, не взаимодействующей с электромагнитным излучением. Эта гипотетическая форма вещества получила название тёмная материя. Несмотря на отсутствие прямого обнаружения, её гравитационное влияние отчетливо прослеживается в самых разных астрофизических масштабах.
Одним из первых свидетельств в пользу существования тёмной материи стало изучение кривых вращения спиральных галактик. Согласно законам Кеплера и ньютоновской динамике, орбитальные скорости звёзд на периферии галактики должны убывать как v(r) ∝ r−1/2, если масса сосредоточена в центральной части. Однако наблюдения показывают, что скорость вращения на больших расстояниях остаётся почти постоянной:
v(r) ≈ const, r ≫ rсветящегося диска.
Это возможно лишь в том случае, если масса галактики продолжает увеличиваться с радиусом, несмотря на резкое уменьшение светимости. Следовательно, галактики окружены протяжёнными гало из невидимой материи, в несколько раз более массивными, чем видимая составляющая.
Другим важным аргументом в пользу тёмной материи является гравитационное линзирование — искривление траектории света массивными объектами. По общей теории относительности, луч света, проходящий рядом с массивным телом, отклоняется, и в результате изображение фона может быть искажено, усилено или дублировано.
При изучении скоплений галактик, таких как Абель 1689 или Скопление Пули (Bullet Cluster), гравитационное линзирование показывает, что основная масса скопления не совпадает с распределением видимого вещества. Наиболее яркий пример — Скопление Пули, где после столкновения двух скоплений горячий газ, составляющий основную долю барионной массы, остался между двумя системами, в то время как центры гравитационного потенциала (по линзированию) сдвинуты и соответствуют положению тёмной материи.
Анализ спектра температурных флуктуаций реликтового излучения, зафиксированных спутником Planck, предоставляет ещё один независимый способ измерения плотности различных компонент Вселенной. В рамках ΛCDM-модели (стандартной космологической модели) вклад тёмной материи в энергетический баланс Вселенной составляет:
ΩDM ≈ 0, 27, Ωb ≈ 0, 05, ΩΛ ≈ 0, 68.
Таким образом, тёмная материя составляет около 85% всей материи во Вселенной, в то время как обычное (барионное) вещество — лишь около 15%.
Моделирование формирования космической структуры показывает, что без участия тёмной материи невозможно объяснить наблюдаемую иерархическую структуру Вселенной: от галактик до сверхскоплений. Барионное вещество до рекомбинации находилось в плазменном состоянии, плотно сцепленном с излучением. Его колебания были подавлены до эпохи рекомбинации. Напротив, тёмная материя, не взаимодействующая с фотонами, могла начать формировать гравитационные ямы уже раньше, став “затравкой” для образования галактик и скоплений.
На основании наблюдательных данных можно выделить следующие свойства тёмной материи:
Многочисленные гипотезы предложены в рамках расширений Стандартной модели частиц. Среди них наиболее изученные:
Массивные частицы, взаимодействующие только через слабое и гравитационное взаимодействие. Предсказаны в рамках суперсимметричных теорий. Интенсивно ищутся в прямых (XENONnT, LUX-ZEPLIN) и непрямых (по продуктам аннигиляции) экспериментах.
Лёгкие и очень слабо взаимодействующие частицы, возникающие как решение проблемы сильного CP-нарушения в квантовой хромодинамике. Имеют массу порядка μeV–meV, могут составлять холодную тёмную материю. Поиск ведётся с помощью резонансных радиочастотных детекторов (например, ADMX).
Гипотетические тяжёлые нейтрино, не взаимодействующие с веществом, кроме как через гравитацию и возможные осцилляции с обычными нейтрино. Могут быть тепловой или тёплой тёмной материей в зависимости от массы и времени выхода из термодинамического равновесия.
Некоторые учёные полагают, что наблюдаемое гравитационное поведение не требует введения новой материи, а обусловлено модификацией закона гравитации. Пример — теория MOND (Modified Newtonian Dynamics), предложенная Мильгромом, в которой на малых ускорениях ньютоновский закон изменяется. Хотя такие модели могут частично объяснить кривые вращения, они плохо согласуются с космологическими наблюдениями и линзированием, и в целом проигрывают ΛCDM-модели.
Тёмная материя играет ключевую роль в космологии, однако остаётся одной из главных нерешённых загадок современной физики. Остаётся неизвестным:
Ответы на эти вопросы требуют объединения усилий астрономии, ядерной физики, теории поля и гравитационной физики. Их решение приведёт к радикальному углублению нашего понимания устройства материи и Вселенной.