Зачем нужна тёмная материя
В 1933 году швейцарский астроном Фриц Цвикки измерил скорости галактик в скоплении Кома и обнаружил проблему: галактики двигались слишком быстро. Видимой массы скопления не хватало, чтобы удержать их гравитацией. Цвикки предположил существование невидимой «тёмной материи» (dunkle Materie), которая создаёт дополнительное гравитационное притяжение.
В 1970-х Вера Рубин подтвердила гипотезу на уровне отдельных галактик. Звёзды на краю спиральных галактик вращаются с той же скоростью, что и в центре (200-300 км/с). По законам Ньютона они должны вращаться значительно медленнее. Объяснение: каждую галактику окружает гало тёмной материи, масса которого в 5-10 раз превышает массу видимых звёзд и газа.
Доказательства существования
- Кривые вращения галактик. Скорость звёзд на краю не падает, хотя видимой массы недостаточно. Это наблюдается у тысяч галактик без исключений
- Гравитационное линзирование. Свет от далёких галактик искривляется, проходя мимо скоплений. Степень искривления указывает на массу в 5-6 раз больше видимой
- Реликтовое излучение. Карта неоднородностей космического микроволнового фона (данные спутника Planck, 2018) точно соответствует модели с 27% тёмной материи. Без неё паттерн неоднородностей был бы другим
- Столкновение скоплений (Bullet Cluster). При столкновении двух скоплений галактик газ (обычная материя) затормозился, а основная масса (тёмная материя) прошла насквозь. Это зафиксировано рентгеновским телескопом Chandra в 2006 году
Из чего она может состоять
Главные кандидаты:
WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). Гипотетические тяжёлые частицы, взаимодействующие только через гравитацию и слабое ядерное взаимодействие. Масса: 10-1 000 масс протона. Десятки подземных детекторов (XENON1T, LUX-ZEPLIN, PandaX) ищут WIMPs с 1980-х годов. Пока ни одного достоверного сигнала.
Аксионы. Сверхлёгкие частицы, предсказанные теорией сильного взаимодействия. Масса в триллионы раз меньше электрона. Эксперимент ADMX (США) и MADMAX (Германия) ищут аксионы с помощью мощных магнитов и резонаторов.
Стерильные нейтрино. Тяжёлые аналоги обычных нейтрино, не участвующие в слабом взаимодействии. Могли бы объяснить и тёмную материю, и асимметрию материи-антиматерии.
Альтернативные теории
Некоторые физики считают, что тёмной материи не существует, а наблюдаемые эффекты объясняются модификацией гравитации на больших расстояниях (теория MOND, Мордехай Милгром, 1983). MOND хорошо описывает вращение отдельных галактик, но не справляется с реликтовым излучением и динамикой скоплений. На сегодняшний день MOND остаётся маргинальной гипотезой: более 90% астрофизиков придерживаются модели с тёмной материей.
О космических технологиях читайте в материале о программе SpaceX Starlink. А о квантовых технологиях, которые могут помочь в поисках тёмной материи, в статье о квантовых компьютерах.
