Темна матерія: відсутня маса Всесвіту, названа в 1906 році

У моделі Lambda-CDM, яку космологи наразі використовують для опису Всесвіту, звичайна матерія — атоми, з яких складаються зорі, планети та люди — становить лише 5 відсотків усього, що існує. Темна матерія, форма маси, яку ніхто ніколи не виявляв безпосередньо, становить 26,8 відсотка, що більш ніж у п'ять разів більше, а решта 68,2 відсотка припадає на темну енергію — окрему загадку, якої ця стаття лише побіжно торкається.

Ніхто не виділив частинку темної матерії, не сфотографував її і не пояснив точно, з чого вона складається. Вчених переконало в її існуванні приблизно століття непрямих свідчень: галактики, що обертаються швидше, ніж мали б, скупчення галактик з набагато більшою гравітацією, ніж може забезпечити їхня видима матерія, і світло, що вигинається навколо згустків маси, які самі не випромінюють світла. Ця стаття крок за кроком розглядає, звідки з'явився кожен із цих доказів, у тому порядку, в якому астрономи їх насправді знайшли.

Сам термін старший за більшість доказів на його користь. У 1906 році французький математик і фізик Анрі Пуанкаре використав вислів matière obscure — буквально «темна матерія» — обговорюючи більш ранню оцінку лорда Кельвіна, який припустив, що багато з незліченних зір поблизу Сонця можуть бути темними, несвітними тілами, а не сяючими. Есей Пуанкаре вийшов за десятиліття до вимірювань скупчень галактик Фріца Цвіккі чи досліджень галактик Вери Рубін: у астрономів було слово для цієї загадки задовго до того, як вони отримали доказ.

Найперші достовірні дані отримав Весто Слайфер, який у 1914 році спрямував телескоп на галактику Андромеди і зробив перші вимірювання, пов'язані з тим, що астрономи тепер називають кривою обертання галактики — тим, як орбітальна швидкість змінюється залежно від відстані до центру галактики.

Слайфер виявив щось незвичне: зорі з одного боку центрального виступу Андромеди наближалися до Землі зі швидкістю близько 320 кілометрів за секунду, тоді як зорі з протилежного боку рухалися лише зі швидкістю близько 280 кілометрів за секунду. Ця розбіжність сама по собі не була доказом темної матерії, але стала раннім сигналом того, що спіральні галактики не обертаються так просто, як Сонячна система, і поставила питання, розв'язання якого зайняло десятиліття.

Фріц Цвіккі просунувся далі у розв'язанні цієї загадки в 1933 році. Швейцарський астрофізик, який працював у Каліфорнійському технологічному інституті (Caltech), досліджував скупчення галактик і намагався зважити його двома різними способами: спочатку додаючи світло, що надходило від галактик-членів скупчення, а потім вимірюючи, наскільки швидко ці галактики рухаються одна навколо одної під дією гравітації скупчення. Ці дві відповіді не збігалися.

Оцінка Цвіккі, заснована на швидкостях, показала масу приблизно у 400 разів більшу, ніж могли забезпечити видимі галактики — розрив, надто великий, щоб пояснити його лише звичайними зорями та газом. Він дійшов висновку, що більшість гравітуючої речовини скупчення мусить бути темною, невидимою матерією — ідея, якій довелося чекати кращих інструментів, перш ніж решта астрономії почала серйозно нею займатися.

Вера Рубін зіткнулася з перешкодою ще до того, як наблизилася до загадки обертання галактик: просто отримати час на телескопі. Працюючи в Інституті Карнегі, вона у 1965 році подала заявку на спостережний час на обсерваторії Паломар і стала першою жінкою-астрономом, якій дозволили там спостерігати.

Свій шанс розв'язати важливіше питання вона отримала через десять років. Разом з астрономом Кентом Фордом Рубін представила результати Американському астрономічному товариству в 1975 році: у спіральних галактиках зорі біля краю рухаються майже з такою ж швидкістю, як зорі ближче до центру, незалежно від того, наскільки далеко вони розташовані — це означає, що маса галактики продовжує зростати далеко за межею, де закінчуються видимі зорі. Це саме той тип додаткової, невидимої маси, який Цвіккі виводив зі скупчень галактик, тепер вимірений безпосередньо всередині окремих галактик.

Гравітація робить ще одну корисну річ: вона вигинає світло. Темну матерію неможливо сфотографувати безпосередньо, але дослідження, опубліковане в журналі Nature, визначає гравітаційне лінзування як найефективніший спосіб її виявлення: світло від далеких галактик вигинається, проходячи повз скупчення маси на передньому плані. Оскільки цей ефект залежить лише від гравітації, він фіксує як темну, так і звичайну матерію однаково, що робить його одним із небагатьох інструментів, здатних визначити, де насправді розташована вся маса Всесвіту.

Ця техніка дозволила створити кілька детальних карт маси. Міжнародна команда проаналізувала зображення, що охоплюють п'ять ділянок неба — загальною площею, що дорівнює приблизно 2200 повних Місяців, розміщених пліч-пліч — які містять приблизно 15 мільйонів галактик, і відстежила, як гравітація космічної мережі вигинала їхнє світло. Окремо команда, що використовувала огляд Cosmic Evolution Survey (COSMOS) космічного телескопа Габбл — найбільший огляд Всесвіту, який цей телескоп коли-небудь проводив, за участю 70 астрономів під керівництвом Ніка Сковілла з Каліфорнійського технологічного інституту, — побудувала тривимірну карту розподілу темної матерії, використовуючи той самий принцип лінзування.

Ці два підходи також не завжди узгоджуються з іншими методами. Команда широкого огляду неба виявила, що їхня власна оцінка того, наскільки матерія скупчується по всьому космосу, вийшла значно нижчою за показник, розрахований на основі спостережень супутника Planck — розбіжність, яку вчені все ще намагаються вирішити.

Темна матерія також залишила відбитки на найстарішому світлі Всесвіту. Космічне мікрохвильове фонове випромінювання — світло, випромінене, коли Всесвіту було приблизно 375 000 років — містить крихітні температурні відмінності, які фіксують, як матерія, включно з темною матерією, вже починала скупчуватися на цьому ранньому етапі.

Супутник NASA Cosmic Background Explorer (COBE) першим зафіксував ці крихітні температурні відмінності на небі в 1992 році, а пізніші місії уточнили цю картину. Власна часова шкала NASA розміщує цей знімок у Всесвіті, який розвивається вже 13,77 мільярда років — достатньо довго, щоб гравітація встигла перетворити невеликі коливання раннього Всесвіту на галактики, скупчення та космічну мережу, які астрономи картографують сьогодні.

Не кожен астрофізик переконаний, що темна матерія — правильна відповідь. Десятиліттями дослідники фіксували у космосі більше гравітаційного притягання, ніж може забезпечити видима чи відома матерія, і стандартним вирішенням стало припущення, що прогалину заповнює невидима маса. Натомість менша частина вчених стверджує, що справжня проблема полягає в самому законі гравітації: галактики, здається, порушують правила, що сягають роботи Ісаака Ньютона кінця 1600-х років, що підтримує модифіковану ньютонівську динаміку, або MOND, як конкурентне пояснення.

Тим часом прямий пошук частинки темної матерії продовжується. У кінці 2025 року детектор темної матерії LZ виключив взаємодії WIMP з перерізами вище 9 ГеВ/c2 як можливе пояснення, а також повідомив про перше підтверджене виявлення сонячних нейтрино бору-8 через пов'язаний процес, який називається когерентним пружним розсіюванням нейтрино на ядрах. Яке б пояснення врешті-решт не переможило, пошук відсутньої маси Всесвіту все ще триває повним ходом.

• Унікальний прогноз «модифікованої гравітації» ставить під сумнів темну матерію | ScienceDaily
• Темна матерія може бути рівномірнішою, ніж очікувалося | ESO
• Огляд WMAP - NASA Science
• ESA - Перша 3D-карта каркасу темної матерії Всесвіту
• Карти темної матерії виявляють космічний каркас | Nature
• Вікіпедія: Темна матерія
• Вікіпедія: Вера Рубін
• Вікіпедія: Крива обертання галактики