Откуда мы знаем, что тёмная материя существует

8 August 2019

Гипотеза о «тёмной материи» появилась в 30-х годах прошлого века при наблюдениях за вращением галактик. Видимая скорость вращения звёзд в галактиках явно не соответствовала их видимой массе. Этому может быть два объяснения:

  • наша теория гравитации ошибочна;
  • в галактиках на самом деле больше массы, чем мы видим.

Первый вариант маловероятен: все же общая теория относительности имеет огромное количество подтверждений и даёт огромное количество точных прогнозов. Поэтому расхождение расчётных и фактических орбитальных скоростей звёзд в галактиках объясняется присутствием «тёмной» материи, т.е. материи, которую мы не видим, но которая тем не менее обладает массой и участвует в гравитационных взаимодействиях.

Тёмная материя в представлении художника
Тёмная материя в представлении художника

В начале предположили, что в галактиках просто очень много межзвёздного газа, блуждающих планет и выгоревших коричневых карликов, то есть обычной материи, которая не светится и мы её просто не видим. Однако расчёты и наблюдения показали ошибочность этого предположения. Если бы в галактиках действительно было так много межзвёздного газа, то процессы звездообразования в них шли бы гораздо интенсивнее, чем мы видим.

Несовпадение орбитальных скоростей звёзд часто используют, чтобы «на пальцах» объяснить появление гипотезы о «тёмной материи» в научно-популярных книгах и фильмах. Однако в современной науке этот аргумент давно не основной: есть гораздо более веские аргументы считать, что тёмная материя все-таки существует. Благодаря ним можно с уверенностью отбросить предположение о том, что тёмная материя — это обычная материя, которая не светится. Итак. Начнём.

Существование скоплений галактик

Во вселенной всё находится в движении: планеты вращаются вокруг звёзд, звёзды обращаются вокруг центров галактик и даже галактики вращаются вокруг общего центра масс в скоплениях галактик.

Скопление галактик MACS0416.1-2403. Источник: Hubble/ESA/NASA
Скопление галактик MACS0416.1-2403. Источник: Hubble/ESA/NASA

При наблюдениях за скоплениями галактик оказалось, что масса галактик в скоплениях рассчитанная на основе данных о светимости видимого вещества в галактиках недостаточна для того, чтобы скопление галактик оставалась гравитационно связанным. Галактики в скоплениях должны были бы разлетаться в разные стороны, но этого не происходит.

Это привело учёных к выводу, что значительную часть массы галактик составляет материя, которую мы не можем наблюдать.

Реликтовое излучение

Реликтовое (фоновое) излучение представляет собой самые первый фотоны испущенный материей, которые дошли до нас. Произошло это всего несколько сотен тысяч лет после Большого Взрыва. До этого вселенная была непрозрачна для электромагнитного излучения. Можно сказать, что реликтовое излучение — это самая ранняя фотография нашей вселенной.

Карта реликтового излучения
Карта реликтового излучения

До появления реликтового излучения материя находилась под влиянием двух сил: гравитации, заставляющейсгустки материи притягиваться друг к другу и давления фотонов, излучаемых очень горячей материей. Противоборство этих сил создавало колебания в материи подобно тому, как разница в давлении создает звуковые колебания в воздухе. Эти колебания хорошо видны в спектре мощности реликтового излучения.

Если во вселенной кроме обычной материи была также и тёмная материя, это вне всякого сомнения должно было отразиться на колебаниях в реликтовом излучении, так как темная материя гравитационно влияет на обычную материю, но при этом не испытывает давления фотонов. Учёные рассчитали то, как должны выглядеть колебания в реликтовом излучении как при наличии, так и при отсутствии тёмной материи.

Спектр мощности реликтового излучения по данным различных зондов.
Спектр мощности реликтового излучения по данным различных зондов.

С помощью зонда WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), учёным удалось измерить спектр мощности реликтового излучения. Результаты показывают, что данные о спектре мощности реликтового излучения соответствует варианту вселенной, состоящей как из обычной, так и из «тёмной» материи. Впоследствии данные зонда WMAP были подтверждены другими зондами.

Скопление галактик Пуля

Это скопление галактик представляет собой две галактики, которые недавно, по астрономическим меркам столкнулись. Распределение массы в этих галактиках было рассчитано с помощью двух методов: наблюдения за рентгеновским излучением и гравитационного линзирования.

Если бы галактики состояли только из обычной материи, то местоположение массы полученное с помощью рентгеновских наблюдений совпало бы с данными гравитационного линзирования. Однако этого не произошло.

Синим подсвечена масса согласно данным гравитационного линзирования, а красным — согласно оптическим наблюдениям за рентгеновским излучением. Источник: nasa.gov
Синим подсвечена масса согласно данным гравитационного линзирования, а красным — согласно оптическим наблюдениям за рентгеновским излучением. Источник: nasa.gov

Из оптических наблюдений следует, что масса должна быть сконцентрирована в районе центра изображения (эти области подсвечены красным). Распределение массы по гравитационному линзированию отмечено синим: сразу за видимой частью галактик!

Это несоответствие легко объясняется с помощью тёмной материи. Дело в том, что тёмная материя практически не взаимодействует с обычной материей. Поэтому во время столкновения галактик тёмная материя каждой из галактик пролетела навылет, а обычное вещество галактик замедлилось в результате столкновений. По сути столкновение галактик в скоплении Пуля привело к разделению тёмной материи и обычной материи, что и удалось зафиксировать благодаря наблюдениям.

Формирование крупномасштабной структуры вселенной

Благодаря таким телескопам как Sloan Digital Sky Survey мы можем наблюдать за распределением галактик во Вселенной и изучать её структуру. На текущий момент наши наблюдения говорят о том, что та структура, которую мы видим сейчас не могла сформироваться под действием одной только гравитации из обычной материи.

Галактики открытые телескопом SDSS
Галактики открытые телескопом SDSS

Мы знаем, что до реликтового излучения материя не могла сжиматься в какие-то сколько-нибудь крупные объекты из-за противоборства сил гравитации и давления испускаемого материей излучения. Структура, которую мы наблюдаем гораздо более сложна чем должна была бы быть принимая во внимание время, прошедшее после реликтового излучения.

Однако тёмная материя позволяет объяснить такое формирование структуры вселенной. Так как тёмная материя не испытывает давление фотонов она начала коллапсировать еще до реликтового излучения. Это привело к формированию плотных регионов тёмной материи, что и дало толчок к формированию структуры галактик и их скоплений такой, какой мы видим её сейчас.

Гравитационное линзирование скоплений галактик

Как известно гравитация влияет на свет. В своё время наблюдения гравитационного отклонения света стало одним из первых подтверждений теории относительности.

Гравитационное линзирование. Источник: wikipedia.org
Гравитационное линзирование. Источник: wikipedia.org

Самый простой вид гравитационного линзирования случается например, когда свет проходит возле очень массивного объекта, такого как например ядро галактики. Свет далёких фоновых галактик огибает ядро галактики, что может привести к наблюдению нами множества изображений одной и той же галактики.

Кольцо Эйнштейна: гравитация яркой красной галактики искажает свет от находящейся позади голубой галактики. Источник: hubblesite.org
Кольцо Эйнштейна: гравитация яркой красной галактики искажает свет от находящейся позади голубой галактики. Источник: hubblesite.org

Когда фоновая галактика и массивный объект расположены идеально на нашем луче зрения, то в таком случае мы можем наблюдать так называемое «кольцо Эйнштейна» — свет фоновой галактики огибающий массивный объект сразу со всех сторон.

Слева: скопление галактик Cl 0024+17, справа — наложенная на него карта распределения массы. Кольцевая структура отчётливо видимая на ней является одним из самых надёжных свидетельств существования тёмной материи. Источник: hubblesite.org
Слева: скопление галактик Cl 0024+17, справа — наложенная на него карта распределения массы. Кольцевая структура отчётливо видимая на ней является одним из самых надёжных свидетельств существования тёмной материи. Источник: hubblesite.org

Картины гравитационного линзирования представляют собой наглядную карту распределения материи в скоплении галактик. Когда мы строим карту распределения массы по данным гравитационного линзирования скоплений галактик, оказывается, что большая часть массы находится не в видимых частях галактик и представляет собой т.н. тёмную материю.

Заключение

Разумеется, в такой короткой статье нет возможности охватить все свидетельства в пользу существования тёмной материи. На самом деле их гораздо больше. При этом самым убедительным из них является то, что когда на основании любого из этих наблюдений мы рассчитываем примерное соотношение тёмной и обычной материи во Вселенной мы получаем примерно одно значение.

Нет ни одной причины по которой эти, совершенно не связанные между собой наблюдения и измерения, привели бы нас к одному и тому же соотношению тёмной и обычной материи во вселенной. Именно это количественное совпадение соотношения тёмной и обычной материи и убедило большинство профессиональных астрономов в том, что тёмная материя действительно существует.

Ставьте палец вверх, чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!
Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мой канал на youtube. Каждую неделю там выходят видео, где я отвечаю на вопросы о космосе, физике, футурологии и многом другом! А кроме того посетите мой сайт.