Большую часть материи во Вселенной нельзя увидеть, но можно зафиксировать её влияние на самые большие структуры в космосе. По оценкам астрономов, Вселенная состоит из тёмной материи примерно на 85%, то есть только 15% всей материи – это нормальная материя. По данным CERN, с учётом тёмной энергии, которую астрономы считают ответственной за ускоренное расширение Вселенной, тёмная материя составляет примерно 27% от всей энергии в космосе.
У астрономов есть множество инструментов для оценки общего количества материи во Вселенной и сравнения её с количеством “обычной” (также называемой “барионной”) материи. Самый простой метод – сравнить два измерения.
Первое измерение – это общее количество света, излучаемого большой структурой, такой как галактика, которую астрономы могут использовать для определения массы этого объекта. Второе измерение – расчётная сила тяжести, необходимая для удержания такой большой конструкции вместе. Когда астрономы сравнивают эти измерения галактик и скоплений по всей Вселенной, они получают один и тот же результат: им не хватает нормальной, излучающей свет материи, чтобы объяснить силу гравитации, необходимую для удержания этих объектов вместе.
Таким образом, должна существовать какая-то форма материи, не излучающая свет: тёмная материя.
В разных галактиках соотношение тёмной материи и обычной материи разное. Некоторые галактики почти не содержат тёмной материи, в то время как другие почти лишены обычной материи. Но измерение за измерением даёт один и тот же средний результат: примерно 85% материи во Вселенной не излучает и не взаимодействует со светом.
Недостаточно барионов
Есть много других способов, которыми астрономы могут подтвердить этот результат. Например, массивный объект, такой как скопление галактик, искажает пространство-время вокруг себя настолько сильно, что искривляет путь любого проходящего через него света – эффект, называемый гравитационным линзированием. Затем астрономы могут сравнить количество массы, которую мы видим от светоизлучающих объектов, с массой, необходимой для объяснения линзирования, ещё раз доказав, что где-то должна скрываться дополнительная масса.
Астрономы также могут использовать компьютерное моделирование, чтобы наблюдать за ростом крупных структур. Миллиарды лет назад наша Вселенная была намного меньше, чем сегодня. Звёздам и галактикам потребовалось время, чтобы эволюционировать, и если бы во Вселенной имелась бы только обычная видимая материя, то сегодня мы не увидели бы никаких галактик. По словам космолога Джоэла Примака, для роста галактик требовались “бассейны” тёмной материи, в которых могла бы собираться нормальная материя.
Наконец, космологи могут оглянуться на то время, когда космосу было всего двенадцать минут, когда образовались первые протоны и нейтроны. Космологи могут использовать наше понимание ядерной физики, чтобы оценить, сколько водорода и гелия было произведено в ту эпоху.
Эти расчёты точно предсказывают соотношение водорода и гелия в современной Вселенной. Они также предсказывают абсолютный предел количества барионной материи в космосе, и эти цифры согласуются с наблюдениями современных галактик и скоплений.
Вселенная состоит из тёмной материи?
С другой стороны, тёмная материя может быть следствием неправильного понимания наших теорий гравитации, основанных на законах Ньютона и общей теории относительности Эйнштейна.
Астрономы могут корректировать эти теории, чтобы дать объяснение тёмной материи в отдельных контекстах, таких как движение звёзд в галактиках. Но альтернативы гравитации не смогли объяснить все наблюдения тёмной материи во Вселенной.
Все данные указывают на то, что тёмная материя – это частица неизвестного типа. Она не взаимодействует со светом или обычной материей и даёт о себе знать только через гравитацию. На самом деле, астрономы считают, что прямо сейчас через вас проходят триллионы триллионов частиц тёмной материи. Учёные надеются вскоре установить природу этого загадочного компонента Вселенной.
