Что такое тёмная материя?

Тёмная материя – это гипотетическая форма материи, которая не взаимодействует с электромагнитным излучением и потому не излучает, не поглощает и не отражает свет. Она получила своё название из-за того, что она не излучает свет и не может быть обнаружена прямыми наблюдениями.

Тёмная материя играет важную роль в космологии, так как её существование объясняет наблюдаемые эффекты гравитационного взаимодействия, которые не могут быть объяснены только из-за наличия видимой материи во Вселенной. Например, распределение скоплений галактик и формирование галактик не могут быть объяснены только на основе известных форм материи, таких как звезды, газ и пыль.

Тёмная материя, вероятно, составляет около 27% массы Вселенной, а все остальное – обычная видимая материя и тёмная энергия. Многие эксперименты исследуют природу тёмной материи, но пока не было наблюдений, которые бы однозначно подтверждали её существование и свойства.

Идея о том, что в галактиках и космических скоплениях должно быть больше материи, чем мы видим, возникла в 1930-х годах у физика и астронома Фрица Цвикки. Он отметил, что скорости звезд в спиральных галактиках, таких как Млечный Путь, должны были бы уменьшаться с расстоянием от центра галактики, если бы масса внутренних частей галактики была распределена только между видимыми звездами и газом. Однако, он обнаружил, что скорости звезд оставались практически постоянными на больших расстояниях, что означало, что должна существовать невидимая, дополнительная масса внутри галактик.

Понятие тёмной материи было дальше развито в 1970-х годах Швейцарским астрономом Фрицем Цвикки и астрофизиками Вера Рубин и Кентом Фордом в результате наблюдений за кинематикой звезд и газа в галактиках. Они показали, что скорости движения звезд и газа в галактиках не могут быть объяснены только на основе известных форм материи, таких как звезды, газ и пыль. Они предположили, что должна существовать дополнительная, невидимая форма материи, которая взаимодействует только гравитационно, и назвали её тёмной материей. С тех пор тёмная материя была обнаружена во многих галактиках и скоплениях галактик, а также является важным элементом современных космологических теорий.

Существует несколько гипотез о сущности тёмной материи, но до сих пор не было обнаружено ни одного подтверждения ни одной из них. Некоторые из наиболее распространенных гипотез:

1. Нейтральныеиностраннные частицы. Одна из наиболее популярных гипотез о том, что составляет тёмную материю, предполагает существование новых типов элементарных частиц, которые взаимодействуют только слабо с обычной материей, но взаимодействуют между собой гравитационно. Среди таких частиц могут быть нейтрино, вещественные суперсимметрические частицы или другие гипотетические частицы.
2. Модификации гравитации. Некоторые ученые предлагают гипотезы, что тёмная материя не существует как отдельная субстанция, а что нужно изменить наши представления о гравитации, чтобы объяснить наблюдаемые эффекты. Одна из таких гипотез – модифицированная теория Ньютона или модифицированная теория общей теории относительности.
3. Макроподобные объекты. Некоторые ученые предполагают, что тёмная материя может состоять из больших объектов, таких как черные дыры, нейтронные звезды, планетарные массы и другие астрономические объекты, которые на данный момент трудно обнаружить.
4. Ультралёгкие частицы. Некоторые ученые предполагают, что тёмная материя может состоять из ультралёгких частиц, которые были созданы во время Большого Взрыва и перемещались со скоростью близкой к скорости света. Такие частицы могут создавать большие масштабы искривления пространства-времени, что объясняет наблюдаемые эффекты.
5. Странные астрофизические объекты. Некоторые ученые предлагают, что тёмная материя может состоять из странных астрофизических объектов, таких как квазары или галактические скопления.
6. Космологическая константа. Космологическая константа является константой, которая вводится в уравнения общей теории относительности Эйнштейна для уравновешивания гравитационных воздействий на космологических масштабах. В некоторых моделях, космологическая константа может объяснить наблюдаемые эффекты тёмной материи.
7. Дополнительные измерения. В некоторых теориях высокой энергии, таких как теория струн, существует гипотеза о существовании дополнительных измерений, которые могут быть скрыты от нашего наблюдения. Некоторые ученые предлагают, что тёмная материя может находиться в этих дополнительных измерениях.
8. Холодная тёмная материя. Эта гипотеза предполагает, что тёмная материя состоит из тяжелых, медленных, неподвижных частиц, которые взаимодействуют только через гравитационное поле.