Концентрация темной материи (разноцветной) в ядре соседней галактики

Составное изображение, показывающее концентрацию темной материи (разноцветной) в ядре соседней галактики. (Изображение: NASA Goddard)

По оценкам астрономов, примерно 85% всей материи во Вселенной составляет темная материя, то есть только 15% всей материи – это нормальная материя. По данным ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям), с учетом темной энергии, которую астрономы называют ускоренным расширением Вселенной, темная материя составляет примерно 27% всей массы-энергии в космосе. (1)

У астрономов есть множество инструментов для измерения общего количества материи во Вселенной и сравнения его с количеством «нормальной» (также называемой «барионной») материи. Самая простая техника заключается в сравнении двух измерений.

Первое измерение – это общее количество света, испускаемого крупной структурой, например, галактикой, по которому астрономы могут судить о массе объекта. Второе измерение – это расчетное количество гравитации, необходимое для удержания крупной структуры вместе. Когда астрономы сравнивают эти измерения галактик и скоплений по всей Вселенной, они получают один и тот же результат: обычной, излучающей свет материи просто не хватает, чтобы учесть гравитационную силу, необходимую для удержания этих объектов вместе.

Таким образом, должна существовать какая-то форма материи, которая не излучает свет: темная материя.

Различные галактики имеют разное соотношение темной и обычной материи. Некоторые галактики почти не содержат темной материи, в то время как другие почти лишены нормальной материи. Но измерение за измерением дает один и тот же средний результат: примерно 85% материи во Вселенной не излучает свет и не взаимодействует с ним.

Читайте также: Какой формы Вселенная?

Недостаточно барионов

Есть много других способов, с помощью которых астрономы могут подтвердить этот результат. Например, массивный объект, такой как скопление галактик, искривляет пространство-время вокруг себя настолько, что искривляет путь любого проходящего через него света – этот эффект называется гравитационным линзированием. Затем астрономы могут сравнить количество массы, которую мы видим от объектов, излучающих свет, с массой, необходимой для учета линзирования, что еще раз доказывает, что где-то должна скрываться дополнительная масса.

Для изучения роста крупных структур астрономы также могут использовать компьютерное моделирование. Миллиарды лет назад наша Вселенная была намного меньше, чем сегодня. Для эволюции звезд и галактик потребовалось время, и если бы Вселенная полагалась только на обычную, видимую материю, то сегодня мы бы не увидели ни одной галактики. Вместо этого для роста галактик потребовались «бассейны» темной материи, в которых собиралась обычная материя, говорится в лекции космолога Джоэла Примака. (2)

Наконец, космологи могут заглянуть в прошлое, когда космосу было всего десяток 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 расчеты точно предсказывают соотношение водорода и гелия в современной Вселенной. По словам астрофизика Неда Райта, они также предсказывают абсолютный предел количества барионной материи в космосе, и эти цифры согласуются с наблюдениями современных галактик и скоплений. (3)

Читайте также: Откуда мы знаем возраст Вселенной?

Альтернативы темной материи

В качестве альтернативы темная материя может быть неправильным пониманием наших теорий гравитации, которые основаны на законах Ньютона и общей теории относительности Эйнштейна.

Чтобы дать объяснение темной материи в отдельных контекстах, таких как движение звезд внутри галактик, астрономы могут подправить эти теории. Но альтернативы гравитации не смогли объяснить все наблюдения темной материи во всей Вселенной.

Все свидетельства указывают на то, что темная материя – это некая неизвестная частица. Она не взаимодействует ни со светом, ни с обычной материей и дает о себе знать только благодаря гравитации. На самом деле, астрономы считают, что сейчас через вас проносятся триллионы и триллионы частиц темной материи. Ученые надеются в скором времени установить личность этого загадочного компонента Вселенной.

Live Science