Масса, которую можно взвесить, но нельзя увидеть
Астрономы взвешивают тела по тому, как они движутся. Скорость планеты вокруг Солнца даёт массу Солнца, скорость звезды вокруг центра галактики даёт массу внутри её орбиты. Когда так взвешивают галактики и скопления, получается гораздо больше, чем дают все звёзды, газ и пыль вместе. Недостающую часть и называют тёмной материей: она притягивает, но не излучает и не поглощает свет.
Откуда известно, что она есть
Доказательства приходят с нескольких независимых сторон, поэтому большинство физиков относится к ней всерьёз.
- Скопления галактик. В 1933 году Фриц Цвикки измерил скорости галактик в скоплении в Волосах Вероники. Они двигались так быстро, что скопление давно бы разлетелось, если бы в нём не было в сотни раз больше массы, чем видно по свету.
- Кривые вращения. В 1970-х Вера Рубин и Кент Форд показали, что звёзды на окраинах спиральных галактик обращаются так же быстро, как ближе к центру. Видимое вещество предсказывает, что они должны замедляться. Подробно это разобрано в ответе про кривые вращения галактик.
- Гравитационное линзирование. Масса искривляет свет. По тому, как искажены далёкие галактики позади, видно, где находится масса, и вокруг галактик и скоплений её гораздо больше, чем видимого вещества.
- Скопление Пуля. В этой паре столкнувшихся скоплений горячий газ, основная часть обычного вещества, затормозился при столкновении, а масса, измеренная по линзированию, прошла насквозь. Карту опубликовали Дуглас Клоу и коллеги в 2006 году. Масса и видимое вещество оказались в разных местах.
- Реликтовое излучение. Узор горячих и холодных пятен, оставшийся от ранней Вселенной, зависит от того, сколько вещества взаимодействует со светом, а сколько нет. Подгонка спутника «Планк» 2018 года даёт около 5% обычного вещества, 27% тёмной материи и 68% тёмной энергии.
Из чего она может состоять
Никто не знает. Главные кандидаты:
- Вимпы, слабо взаимодействующие массивные частицы, которые естественно появляются в расширениях Стандартной модели. Десятилетиями они были фаворитами.
- Аксионы, очень лёгкие частицы, которые сначала предложили для решения другой загадки в физике сильного взаимодействия.
- Стерильные нейтрино, более тяжёлые родственники обычных нейтрино, которые чувствуют только гравитацию.
- Первичные чёрные дыры, возникшие в первые мгновения после Большого взрыва. Наблюдения исключают большинство диапазонов масс, при которых они могли бы составлять всю тёмную материю.
Как её ищут
Глубоко под землёй детекторы LZ в Южной Дакоте и XENONnT в Италии ждут, когда частица тёмной материи столкнётся с ядром атома в тоннах жидкого ксенона. ADMX ловит аксионы, которые в сильном магнитном поле превращаются в микроволновые фотоны. Большой адронный коллайдер ищет энергию, пропавшую после столкновений. Пока никто ничего не нашёл, но каждый пустой результат сужает место, где тёмная материя может прятаться.
Тем временем телескопы картируют тёмную материю по её гравитации: космический телескоп «Евклид», запущенный в 2023 году, и обсерватория имени Веры Рубин измеряют слабое линзирование на миллиардах галактик.
Сомнения и альтернативы
Пока частица не найдена, альтернативы остаются в игре. MOND, которую Мордехай Милгром предложил в 1983 году, меняет закон тяготения при очень малых ускорениях и предсказывает многие кривые вращения по одному видимому веществу. Эмерджентная гравитация Эрика Верлинде пытается вывести похожий эффект из теории информации. Обе испытывают трудности со скоплениями галактик и реликтовым излучением, где тёмная материя работает хорошо. Сравнение есть в ответе про кривые вращения.
Где здесь эта программа
Исследовательская программа этого сайта не предлагает модели тёмной материи. Её препринт Pointer Architecture v9.0 работает на уровне формального вычислительного субстрата; единственное его космологическое утверждение воспроизводит стандартную голографическую оценку тёмной энергии, которая касается расширения Вселенной и ничего не говорит о составе тёмной материи.
Итог
Тёмная материя — хорошо измеренный эффект с неизвестной причиной. Её гравитационные следы сходятся в галактиках, скоплениях, линзировании и ранней Вселенной, поэтому она остаётся стандартным объяснением. Из чего она состоит, — один из самых больших открытых вопросов физики.