Тёмная материя — самое распространённое вещество во Вселенной, но мы её не видим. Прямо сейчас через ваше тело проходят миллиарды невидимых частиц в секунду. Они не задерживаются в лёгких, не застревают в костях — просто пролетают насквозь. Если тёмная материя существует в том виде, в каком её представляют физики, это происходит прямо сейчас.

Тёмная материя составляет 27% всей массы-энергии Вселенной. Обычного вещества — звёзд, планет, вас — около 5%. Мы живём во Вселенной, где 95% содержимого нам неизвестно. И улики лежат на виду уже почти сто лет.

Детектив, которого не слушали сорок лет: как открыли тёмную материю

В 1933 году швейцарский астроном Фриц Цвикки изучал скопление галактик Кома. Он сравнил массу скопления — по яркости галактик — с их скоростями. Результат озадачил: галактики двигались так быстро, что должны были давно разлететься. Чтобы скопление держалось вместе, нужно было в 400 раз больше массы, чем видно в телескоп. Цвикки предположил невидимую материю и придумал термин dunkle Materie — тёмная материя. Его проигнорировали на четыре десятилетия.

Всё изменилось в 1970-х. Американский астроном Вера Рубин изучала кривые вращения галактик — графики скорости звёзд на разных расстояниях от центра. По законам физики скорость должна падать на краях: Нептун движется медленнее Меркурия, потому что дальше от Солнца. Но звёзды на краях галактик летели с той же скоростью, что и в центре. Их что-то удерживало — невидимая масса, равномерно окутывающая всю галактику.

Рубин работала в эпоху, когда женщинам не давали времени на крупных телескопах. Она добилась своего вопреки системе и превратила тёмную материю из курьёза в главную загадку физики. Нобелевскую премию так и не получила. Умерла в 2016 году.

Bullet Cluster: лучшее доказательство существования тёмной материи

В 2006 году астрономы получили самое убедительное доказательство существования тёмной материи — и выглядело оно как космическая авария.

Два скопления галактик столкнулись и прошли сквозь друг друга. Горячий газ — обычная материя — затормозил и остался между скоплениями. Но гравитационное линзирование показало странное: основная масса обоих скоплений прошла сквозь столкновение, не замедлившись. Она просто не заметила препятствия.

Гравитационное линзирование — эффект, при котором массивные объекты искривляют свет позади себя, как увеличительное стекло. Именно оно позволило «взвесить» невидимую массу.

Так и должна вести себя тёмная материя: она не взаимодействует с обычным веществом, кроме как через гравитацию. Это столкновение — Bullet Cluster, «Пуля» — стало главным аргументом против скептиков.

Где ищут тёмную материю: WIMPs, аксионы и подземные детекторы

Главный кандидат последние 30 лет — WIMPs, слабовзаимодействующие массивные частицы. Они должны быть в 10–1000 раз тяжелее протона и почти не реагировать на обычное вещество. Теория аккуратная. Поймать их не удаётся.

Детекторы WIMPs прячут глубоко под землю — иначе космические лучи создают ложные сигналы. LUX-ZEPLIN работает в шахте на глубине 1,5 км в Южной Дакоте: 10 тонн жидкого ксенона, охлаждённого до −100 °C, стоимость — около 60 миллионов долларов. С 2022 года — самый чувствительный детектор в мире. Пока тишина.

Параллельно растёт интерес к аксионам — частицам с массой в миллиарды раз меньше электрона. Их придумали в 1977 году для другой задачи, но они неожиданно оказались хорошими кандидатами на роль тёмной материи. Эксперимент ADMX в штате Вашингтон ловит аксионы через их превращение в фотоны в сильном магнитном поле. Ещё один претендент — стерильные нейтрино: гипотетические частицы, не взаимодействующие вообще ни с чем, кроме гравитации.

Большой адронный коллайдер тоже пытался помочь: при столкновениях частиц WIMPs должны были рождаться. Не родились — или родились, но улетели незамеченными.

Может, дело не в частицах? Модифицированная гравитация как альтернатива тёмной материи

Часть физиков предлагает радикальную альтернативу: тёмной материи не существует, а гравитация просто работает иначе.

В 1983 году физик Мордехай Милгром предложил MOND — модифицированную ньютоновскую динамику. При очень малых ускорениях гравитация ведёт себя не так, как описывал Ньютон. Тогда кривые вращения галактик объясняются без всякой тёмной материи. Звучит соблазнительно — но теория разбивается о Bullet Cluster: столкновение скоплений MOND объяснить не может.

Большинство учёных по-прежнему верят в тёмную материю. Просто не знают, из чего она состоит.

Телескоп Euclid и Обсерватория Веры Рубин: карты тёмной материи

Пока детекторы молчат, астрономы строят карты. Европейский телескоп Euclid, запущенный в 2023 году, создаёт трёхмерную карту распределения тёмной материи через гравитационное линзирование. Первые научные результаты появились в 2024 году. Это не поиск частиц — это попытка понять структуру невидимого каркаса, на котором держатся галактики.

В Чили достраивается Обсерватория Веры Рубин — названная в честь первооткрывательницы кривых вращения. Она начнёт работу в 2025 году и за 10 лет соберёт больше данных о тёмной материи, чем все предыдущие телескопы вместе взятые.

Мы знаем, где тёмная материя есть, как она себя ведёт и что без неё галактики рассыплются. Не знаем одного: что она такое. Ответ может ждать в данных ближайших лет. Или нам придётся переписать физику заново.

Часто задаваемые вопросы о тёмной материи

Что такое тёмная материя?
Тёмная материя — невидимое вещество, которое не излучает и не поглощает свет, но обладает гравитацией. Она составляет около 27% всей массы-энергии Вселенной и удерживает галактики от распада.

Почему тёмную материю до сих пор не поймали?
Тёмная материя почти не взаимодействует с обычным веществом — только через гравитацию. Это делает её крайне сложной для обнаружения даже самыми чувствительными детекторами. Эксперименты вроде LUX-ZEPLIN продолжают поиск, но пока безрезультатно.

Когда учёные найдут ответ?
Возможно, в ближайшее десятилетие. Телескоп Euclid и Обсерватория Веры Рубин соберут беспрецедентный объём данных о распределении тёмной материи во Вселенной. Либо физикам придётся пересмотреть саму теорию гравитации.