Всё, что мы видим на небе, — звёзды, туманности, галактики — состоит из тех же атомов, что и мы сами. Долгое время казалось естественным, что из них и состоит Вселенная. Но наблюдения прошлого века привели к неожиданному выводу: обычного вещества в космосе заметно меньше, чем чего-то иного, не светящегося и не поглощающего свет. Это «что-то» назвали тёмной материей.
Галактики, которые вращаются слишком быстро
Первые подозрения возникли в 1930-х годах. Астроном Фриц Цвикки изучал скопление галактик и заметил, что они движутся слишком быстро: притяжения видимого вещества не хватило бы, чтобы удержать их вместе, и скопление должно было давно разлететься. Он предположил, что там есть невидимая масса. Тогда на это мало кто обратил внимание.
К вопросу вернулись в 1970-х годах, когда Вера Рубин с коллегами измеряла скорости звёзд и газа в спиральных галактиках. По законам тяготения звёзды на окраинах должны обращаться медленнее, чем ближе к центру, — так же, как далёкие планеты движутся вокруг Солнца медленнее близких. Оказалось, что скорость с расстоянием почти не падает. Самое простое объяснение: галактика погружена в обширное облако невидимого вещества, масса которого в несколько раз превышает массу всех её звёзд.
Свидетельства с разных сторон
Одного наблюдения для такого серьёзного вывода было бы мало. Но на то же самое указывают независимые данные.
- Гравитационное линзирование. Массивные объекты искривляют путь света. По искажениям изображений далёких галактик можно вычислить массу скопления, лежащего на пути лучей. Она стабильно оказывается больше массы светящегося вещества.
- Столкновения скоплений. Когда два скопления галактик проходят друг сквозь друга, горячий газ тормозится и остаётся посередине, а основная масса, судя по линзированию, проходит дальше, почти не взаимодействуя.
- Реликтовое излучение. Слабые неоднородности в излучении, оставшемся от ранней Вселенной, чувствительны к её составу. Их рисунок согласуется с тем, что тёмной материи примерно в пять раз больше, чем обычной.
- Рост структур. Компьютерные модели показывают, что без дополнительной невидимой массы галактики не успели бы сформироваться за время существования Вселенной.
Чем она может быть
Здесь начинается область догадок. Тёмная материя не испускает и не поглощает свет, значит, она не участвует в электромагнитных взаимодействиях или участвует крайне слабо. Обычные тусклые объекты — остывшие звёзды, планеты, чёрные дыры привычных масс — на эту роль не подходят: их слишком мало.
Наиболее распространённое предположение: это неизвестные пока частицы, которые почти не взаимодействуют с обычным веществом и проявляют себя только тяготением. Обсуждаются разные варианты — от сравнительно тяжёлых частиц до очень лёгких. Их ищут в подземных лабораториях, где чувствительные детекторы защищены от космических лучей толщей породы, пытаются получить на ускорителях и высматривают косвенные следы в космосе. Пока уверенных обнаружений нет.
А если дело в законах тяготения
Есть и другой подход: возможно, невидимой массы нет, а на больших расстояниях тяготение действует не совсем так, как мы думаем. Такие теории неплохо описывают вращение отдельных галактик, но хуже справляются со скоплениями и с данными о ранней Вселенной. Большинство исследователей считают гипотезу неизвестных частиц более убедительной, однако вопрос остаётся открытым, и это нормально: наука честно отделяет установленное от предполагаемого.
Что известно наверняка
Установлено следующее: в галактиках и скоплениях есть источник тяготения, который не сводится к видимому веществу. Его распределение можно картографировать, его количество — измерять. Не установлено, что это такое.
Название «тёмная» не означает чего-то зловещего. Оно значит лишь «не дающая света» и, в не меньшей степени, «непонятная». История науки знает подобные случаи: планету Нептун сначала вычислили по её влиянию на соседний Уран и лишь потом увидели в телескоп. Возможно, с тёмной материей получится так же, а возможно, придётся пересматривать что-то более глубокое.
