Тёмная материя: 85% Вселенной, которую мы не видим

Открытие Веры Рубин о вращении галактик навсегда изменило космологию.

Женщина, обнаружившая невидимое

В 1970-х годах астроном Вера Рубин измеряла вращение галактик. По логике ньютоновской гравитации и по тому, что можно наблюдать, галактики должны вращаться как солнечные системы: звёзды на внешних краях — медленнее, чем в центре. Вместо этого она обнаружила нечто поразительное: звёзды на краях галактик двигались столь же быстро, как и у центра. Кривые вращения были плоскими там, где должны были снижаться.

Два возможных объяснения: либо наше понимание гравитации рушится на галактических масштабах, либо в галактиках гораздо больше массы, чем мы видим. Невидимую массу назвали тёмной материей. По нынешним оценкам, она составляет около 27% полного энергетического содержимого Вселенной — против лишь 5% для обычной материи.

Чем тёмная материя не является

Тёмная материя — не обычная материя, которая просто тёмная. Первичный нуклеосинтез (производство элементов в первые минуты после Большого взрыва) ограничивает количество обычной барионной материи — её недостаточно, чтобы объяснить недостающую массу. Тёмная материя не излучает, не поглощает и не отражает электромагнитное излучение. Она взаимодействует гравитационно — вот как обнаруживаются её эффекты: в кривых вращения галактик, в гравитационном линзировании и в крупномасштабной структуре Вселенной.

Ведущий кандидат: WIMP

Слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP) десятилетиями были ведущим кандидатом на роль тёмной материи. Они естественно возникают в теории суперсимметрии и имеют подходящий диапазон масс. Несколько крупных экспериментов — LUX, XENON1T, PandaX — искали WIMP с чрезвычайной чувствительностью. Они не нашли ничего. Среди других кандидатов — аксионы, первичные чёрные дыры и стерильные нейтрино. Область подлинно открыта.

Тёмная энергия: ещё более странный компаньон

В 1998 году две группы астрономов, изучавших далёкие сверхновые, обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Нечто движет этим ускорением — тёмная энергия, составляющая около 68% полного энергетического содержимого Вселенной. Её природа почти полностью неизвестна. Возможно, это свойство самого пространства (космологическая постоянная Эйнштейна), или динамическое поле, или нечто, чего мы ещё не представляли.

Философская тяжесть незнания

Обычная материя — всё, что мы когда-либо трогали, видели, измеряли, — составляет около 5% содержимого Вселенной. Остальные 95% — тёмная материя (около 27%) и тёмная энергия (около 68%), и мы не знаем, что представляет собой ни то ни другое. Мы составили карту каркаса Вселенной, не понимая, из чего он сделан. Вселенная — это преимущественно тайна, которой мы дали имена.

Часто задаваемые вопросы

В: Может ли тёмная материя быть просто проблемой с теорией гравитации?

О: Возможно. Модифицированная ньютоновская динамика (MOND), предложенная Мордехаем Милгромом в 1983 году, объясняет кривые вращения галактик без тёмной материи. Однако MOND с трудом объясняет гравитационное линзирование и структуру «Пули» — столкновения двух скоплений галактик, где гравитационный центр разошёлся с видимой материей. Большинство космологов считают тёмную материю лучше обоснованной.

В: Если тёмная материя взаимодействует только гравитационно, как её обнаружить напрямую?

О: Несколько подходов: прямое обнаружение (LUX, XENON, PandaX) пытается поймать редкие столкновения WIMP с ядрами в сверхчувствительных подземных детекторах; косвенное обнаружение ищет гамма-лучи от аннигиляции частиц тёмной материи; коллайдерные эксперименты могут производить частицы тёмной материи при столкновениях. Ни один из методов пока не подтвердил тёмную материю, но каждый раунд экспериментов сужает поле возможностей.

Любопытные умы находят друг друга. Познакомьтесь с теми, кто задаёт те же вопросы, на Good People Map.