Тёмная материя — одна из величайших загадок современной науки. Мы не можем увидеть её, прикоснуться к ней или зафиксировать с помощью существующих приборов. Однако мы твёрдо знаем, что она существует, наблюдая за тем, как её гравитация влияет на галактики. Свет изгибается, путешествуя через космос и встречая на своём пути невидимые сгустки тёмной материи. Именно её присутствие объясняет, почему галактики и скопления галактик движутся так, как они движутся, и почему наша Вселенная эволюционировала иначе, чем если бы тёмной материи в ней не было.

Следующие 10 фактов кратко summarize всё, что учёным удалось узнать об этой невидимой субстанции.

1. Она доминирует во Вселенной. Тёмная материя значительно превосходит по массе всё видимое вещество. Данные, полученные с космических миссий, таких как «Планк» Европейского космического агентства, показывают, что на привычные нам атомы приходится лишь около 5% Вселенной. Тёмная материя составляет около 26%, а остальные 69% — это ещё более таинственная тёмная энергия. Таким образом, всё, что мы видим и к чему можем прикоснуться, — лишь малая часть космического «бюджета» массы и энергии.

2. Она невидима для света. Тёмная материя не испускает, не поглощает и не отражает электромагнитное излучение. Ни один телескоп не может обнаружить её напрямую. Однако мы регистрируем её гравитационное воздействие: она влияет на движение звёзд и планет. Например, звёзды на окраинах галактик вращаются с такой скоростью, которая была бы невозможна, если бы их удерживала только гравитация видимой материи.

3. Эта идея не нова. Ещё в 1930-х годах швейцарский астрофизик Фриц Цвикки заметил, что галактики в скоплениях движутся так быстро, что скопления должны были бы разлететься, если бы их не удерживала какая-то невидимая масса. Он и назвал её «dunkle Materie» — тёмная материя. В 1970-х годах Вера Рубин и Кент Форд подтвердили это открытие, изучив кривые вращения спиральных галактик, что превратило догадку в фундаментальный факт современной космологии.

4. Её подтверждает эхо Большого Взрыва. Существование тёмной материи находит отражение в реликтовом излучении — послесвечении Большого Взрыва. Спутники, такие как WMAP и «Планк», с высочайшей точностью зафиксировали крошечные колебания температуры в этом излучении, и эти данные идеально согласуются с моделями, включающими тёмную материю. Без неё галактики не смогли бы сформироваться так быстро.

5. Она состоит не из обычных атомов. Если бы тёмная материя состояла из протонов, нейтронов или электронов, мы обнаружили бы явные следы этого в реликтовом излучении и в распространённости лёгких элементов, созданных в первые минуты после Большого Взрыва. Но этих следов нет. Это означает, что тёмная материя состоит из частиц иного, неизвестного нам типа.

6. Главные кандидаты — вимпы и аксионы. На роль частиц тёмной материи претендуют несколько гипотетических объектов. Слабовзаимодействующие массивные частицы (вимпы) были бы тяжёлыми и участвовали бы в гравитационном и слабом взаимодействии. Аксионы, напротив, были бы чрезвычайно лёгкими. Сейчас такие эксперименты, как XENONnT, LUX-ZEPLIN и ADMX, активно ведут охоту на эти частицы.

7. Она формирует галактики и скопления. Тёмная материя служит гравитационными «лесами» Вселенной, удерживая вместе галактики и их скопления. Кроме того, она искривляет свет, идущий от далёких объектов. Этот эффект, предсказанный Эйнштейном и называемый гравитационным линзированием, позволяет нам буквально картографировать невидимое. Телескопы «Хаббл», Atacama Cosmology Telescope и другие обсерватории наблюдают, как изображения далёких галактик искажаются и растягиваются под воздействием массивных невидимых структур из тёмной материи.

8. Возможно, она подчиняется только гравитации. Ни одна лаборатория до сих пор не зафиксировала, чтобы тёмная материя взаимодействовала с чем-либо, кроме гравитации. Отсутствие сигналов на Большом адронном коллайдере и в других экспериментах заставляет некоторых учёных рассматривать альтернативные модели, такие как самовзаимодействующая тёмная материя или стерильные нейтрино.

9. Она создаёт космическую паутину. В самых больших масштабах Вселенная напоминает гигантскую трёхмерную паутину, состоящую из скоплений галактик и соединяющих их нитей-филаментов. Это распределение идеально совпадает с картами тёмной материи, построенными на основе гравитационного линзирования и компьютерного моделирования. Именно гравитация тёмной материи в первые эпохи существования Вселенной притянула к себе обычное вещество, создав ту крупномасштабную структуру, которую мы наблюдаем сегодня.

10. Её существование — научный консенсус. Существование тёмной материи подтверждается множеством независимых наблюдений: от кривых вращения галактик до реликтового излучения. Поэтому, окажется ли она новой частицей, потребует ли пересмотра законов гравитации или окажется чем-то совершенно невообразимым, разгадка этой тайны является ключом к пониманию Вселенной и того, из чего она на самом деле состоит.

Будущее охоты на тёмную материю

Несмотря на все косвенные доказательства, прямое обнаружение тёмной материи остаётся недостижимой целью, что заставляет науку двигаться вперёд. Будущие эксперименты становятся всё более изощрёнными.

• Подземные лаборатории по всему миру, защищённые толщами породы от космических лучей, продолжают совершенствовать детекторы для поимки гипотетических вимпов.

• Космические обсерватории нового поколения, такие как телескоп «Эвклид», будут создавать беспрецедентно детальные карты распределения тёмной материи во Вселенной, изучая гравитационное линзирование с высочайшей точностью.

• Ускорители частиц, подобные Большому адронному коллайдеру, пытаются не «поймать», а «создать» тёмную материю, сталкивая обычные частицы и надеясь обнаружить в продуктах столкновения неуловимые частицы.

• Альтернативные теории, такие как MOND (Модифицированная ньютоновская динамика), бросают вызов самой парадигме тёмной материи, предлагая объяснить наблюдаемые аномалии не невидимой субстанцией, а изменением законов гравитации. Однако на сегодняшний день ни одна из таких теорий не может объяснить весь набор наблюдательных данных так же успешно, как теория тёмной материи.

Так или иначе, охота продолжается. Открытие природы тёмной материи не просто дополнит учебники по физике — оно перепишет их, ознаменовав новую революцию в нашем понимании фундаментальных основ мироздания.