Тёмная материя в космологии¶

Тёмная материя в космологии — гипотетическая форма материи, которая не участвует в электромагнитном взаимодействии и поэтому не излучает, не поглощает и не отражает свет, но проявляет себя через гравитационное воздействие на видимое вещество и излучение. В стандартной космологической модели (ΛCDM) тёмная материя составляет около 26–27 % полной плотности энергии Вселенной, тогда как обычное (барионное) вещество — лишь около 5 %, а остальное приходится на тёмную энергию.

¶Наблюдательные основания

Понятие введено в 1930-е годы для объяснения расхождений между массой галактик, оценённой по светимости, и их динамикой. Швейцарский астроном Фриц Цвикки, изучая скорости галактик в скоплении Волос Вероники, обнаружил, что видимой массы недостаточно для удержания скопления. В 1970-е годы Вера Рубин измерила кривые вращения спиральных галактик: скорости звёзд на периферии оставались почти постоянными, тогда как при учёте только видимого вещества они должны падать. Это указывало на присутствие невидимой массы в гало галактик.

Дополнительные свидетельства:

• Гравитационное линзирование — искажение изображений далёких объектов массивными скоплениями превышает эффект, ожидаемый от видимой массы.
• Реликтовое излучение — анизотропии температуры и поляризации, измеренные спутниками WMAP и Planck, требуют наличия холодной тёмной материи на ранних этапах эволюции Вселенной.
• Столкновения скоплений — в скоплении Пуля (1E 0657-56) газ тормозится при взаимодействии, а гравитационные центры остаются смещёнными, что интерпретируется как разделение тёмной и барионной материи.
• Формирование крупномасштабной структуры — компьютерные модели воспроизводят наблюдаемую сеть галактик только при наличии холодной тёмной материи.

¶Классификация

По скоростям частиц на момент выхода из кинетического равновесия различают:

Наблюдения благоприятствуют холодной тёмной материи, хотя остаются проблемы на малых масштабах (например, «проблема недостающих спутников»).

¶Кандидаты на роль частиц

Природа частиц тёмной материи неизвестна. Основные гипотезы:

• Вимны (WIMP) — слабовзаимодействующие массивные частицы, возможные продукты суперсимметричных теорий.
• Аксионы — лёгкие псевдоскалярные частицы, введённые для решения сильной CP-проблемы.
• Стерильные нейтрино — гипотетические аналоги обычных нейтрино с большей массой.
• Первичные чёрные дыры — компактные объекты, образовавшиеся в ранней Вселенной.

Прямой поиск ведётся подземными детекторами (XENON, LUX, PandaX), косвенными методами — через гамма-излучение и нейтрино от аннигиляции, а также на ускорителях.

¶Альтернативные объяснения

Часть исследователей предлагает модифицировать саму гравитацию вместо введения новой материи. Наиболее известна теория MOND (модифицированная ньютоновская динамика), предложенная Мордехаем Милгромом в 1983 году. Она хорошо описывает кривые вращения галактик, но испытывает трудности при объяснении динамики скоплений и реликтового излучения. Наиболее распространён взгляд, что тёмная материя — реальная физическая сущность, а не артефакт неверной теории гравитации.

¶Значение

Тёмная материя определяет темпы роста космических структур, распределение галактик и геометрию Вселенной. Её плотность входит в уравнение Фридмана и влияет на оценки возраста и судьбы Вселенной. Открытие природы тёмной материи остаётся одной из центральных нерешённых задач физики и космологии.