Тёмная материя (Dark Matter) — это гипотетическая форма материи, которая не взаимодействует с электромагнитным излучением (светом), поэтому её невозможно увидеть или обнаружить с помощью обычных телескопов. Она не испускает, не поглощает и не отражает свет, что делает её "тёмной". Несмотря на то, что тёмную материю нельзя наблюдать напрямую, её существование подтверждается множеством гравитационных эффектов, которые она оказывает на видимую материю, такие как звёзды, галактики и скопления галактик.
Состав Вселенной: Вместе с тёмной материей и обычной материей, тёмная энергия составляет общую плотность энергии Вселенной. Приблизительные доли:
Тёмная энергия: 68%
Тёмная материя: 27%
Обычная (барионная) материя: 5%
Состав Вселенной: Согласно современным космологическим моделям, тёмная материя составляет около 27% от общей энергии Вселенной.
Гравитационное взаимодействие: Тёмная материя взаимодействует с обычной материей только посредством гравитации. Это ключевое свойство, определяющее её роль в структуре Вселенной.
Отсутствие электромагнитного взаимодействия: Не взаимодействует с фотонами, что делает ее невидимой.
Распределение: Предполагается, что тёмная материя образует "гало" вокруг галактик и скоплений галактик, обеспечивая дополнительную гравитацию, необходимую для их стабильности.
Небарионная природа: Тёмная материя не состоит из обычных протонов и нейтронов (барионов), как обычная материя. Если бы тёмная материя была барионной, это противоречило бы наблюдаемой распространённости лёгких элементов во Вселенной (полученной в результате нуклеосинтеза Большого взрыва).
Кривые вращения галактик: Это одно из самых ранних и убедительных доказательств. Наблюдения показывают, что звёзды на периферии галактик вращаются с гораздо большей скоростью, чем предсказывает теория, основанная только на видимой материи. Для поддержания таких скоростей необходима дополнительная масса, которая не видна – тёмная материя.
Движение галактик в скоплениях: Галактики в скоплениях движутся слишком быстро, чтобы скопление оставалось гравитационно связанным, если бы в нём присутствовала только видимая материя. Тёмная материя обеспечивает необходимую дополнительную гравитацию для удержания скопления вместе.
Гравитационное линзирование: Массивные объекты, такие как галактики и скопления галактик, искривляют пространство-время, отклоняя траекторию света, проходящего мимо них. Этот эффект называется гравитационным линзированием. Наблюдения показывают, что гравитационное линзирование сильнее, чем можно объяснить только видимой материей, что указывает на присутствие тёмной материи. Особенно ярко этот эффект проявляется в скоплениях галактик, где распределение тёмной материи можно восстановить по искажению изображений более далёких галактик.
Космический микроволновый фон (CMB): Анализ CMB показывает, что Вселенная состоит примерно из 5% обычной материи, 27% тёмной материи и 68% тёмной энергии. Тёмная материя влияет на структуру CMB, в частности на величину анизотропий (небольших температурных флуктуаций).
Крупномасштабная структура Вселенной: Моделирование формирования крупномасштабной структуры Вселенной показывает, что тёмная материя необходима для образования галактик и скоплений галактик в том виде, в котором мы их наблюдаем. Тёмная материя образует гравитационные "колодцы", в которые затем "падают" барионы (обычная материя), формируя галактики.
Столкновение скоплений галактик (Bullet Cluster): Bullet Cluster — это скопление галактик, образовавшееся после столкновения двух более крупных скоплений. Наблюдения показали, что видимая материя (горячий газ) отделилась от основной массы скопления, которая была определена с помощью гравитационного линзирования. Распределение основной массы совпадает с распределением тёмной материи, что является сильным аргументом в пользу её существования и того, что она слабо взаимодействует с обычной материей.
WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles): Слабо взаимодействующие массивные частицы. Наиболее популярный кандидат. Предполагается, что они взаимодействуют с обычной материей только посредством слабого взаимодействия и гравитации. Масса WIMPs должна быть в диапазоне от нескольких ГэВ (гигаэлектронвольт) до нескольких ТэВ (тераэлектронвольт).
Axions: Очень лёгкие частицы (с массами порядка микроэлектронвольт), изначально предложенные для решения проблемы сильной CP-инвариантности в квантовой хромодинамике. Аксионы могут взаимодействовать с фотонами в присутствии магнитного поля, что позволяет искать их с помощью специальных экспериментов.
Sterile Neutrinos: Гипотетические тяжёлые нейтрино, которые не взаимодействуют посредством слабого взаимодействия, как обычные нейтрино.
MACHOs (Massive Compact Halo Objects): Массивные компактные объекты в гало (например, чёрные дыры, нейтронные звёзды, белые карлики, коричневые карлики). Однако, наблюдения показывают, что MACHOs не могут составлять основную часть тёмной материи.
Другие экзотические частицы: Рассматриваются и другие экзотические кандидаты, такие как WIMPzillas (очень массивные частицы), Q-balls и другие.
Прямое обнаружение: Попытки зарегистрировать взаимодействие частиц тёмной материи с атомными ядрами в детекторах, расположенных глубоко под землёй, чтобы уменьшить фон от космических лучей. Примеры экспериментов: XENON, LUX-ZEPLIN (LZ), SuperCDMS.
Непрямое обнаружение: Поиск продуктов аннигиляции или распада частиц тёмной материи, таких как гамма-лучи, нейтрино или антиматерия. Примеры экспериментов: Fermi-LAT, AMS-02.
Производство в ускорителях: Попытки создать частицы тёмной материи в столкновениях частиц на ускорителях, таких как Большой адронный коллайдер (LHC).
Астрономические наблюдения: Поиск гравитационных эффектов тёмной материи на видимую материю, таких как гравитационное линзирование и изучение кривых вращения галактик.
Аодифицированная Ньютоновская динамика (MOND): Предлагает изменить законы гравитации на больших расстояниях, чтобы объяснить кривые вращения галактик без привлечения тёмной материи.
Модифицированная гравитация (MOG): Более общая теория, чем MOND, которая также изменяет законы гравитации.
Другие модификации гравитации: Рассматриваются и другие альтернативные теории гравитации.
Природа тёмной материи: Что такое тёмная материя? Какова её физическая природа?
Обнаружение: Пока не существует однозначного экспериментального подтверждения существования частиц тёмной материи.
Взаимодействие: Как сильно взаимодействует тёмная материя с обычной материей и с самой собой?
Моделирование: Необходимо улучшить моделирование формирования крупномасштабной структуры Вселенной с учётом различных кандидатов на роль тёмной материи.
Тёмная материя — это загадочная форма материи, которая составляет большую часть массы Вселенной. Её существование подтверждается множеством гравитационных эффектов, но её природа остаётся неизвестной. Поиск тёмной материи — одна из самых важных задач современной физики и астрономии. Обнаружение частиц тёмной материи или подтверждение альтернативной теории гравитации может революционизировать наше понимание Вселенной.