Обычная, или барионная, материя — звёзды, планеты, галактики, газ и пыль — составляет около 5% плотности энергии Вселенной. Ещё примерно 27% приходится на тёмную материю и около 68% — на тёмную энергию.
Так устроена современная космологическая модель ΛCDM — основная модель, которой астрофизики описывают устройство и эволюцию Вселенной. Она хорошо согласуется с наблюдениями: от реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва, до распределения галактик в пространстве.
Мы можем измерять их влияние, строить математические модели и проверять их на наблюдениях — но пока не знаем, что именно представляет собой большая часть космоса.
Тёмная материя: невидимый каркас галактик
Почему тёмную материю нельзя увидеть
Тёмная материя не взаимодействует со светом: она не излучает, не отражает и не поглощает электромагнитное излучение. Поэтому обычный телескоп её не увидит.
Название «тёмная» здесь означает именно невидимость для света. Если бы тёмная материя просто поглощала свет, как облако газа или пыли, её можно было бы обнаружить по силуэту на фоне далёких звёзд. Но она не оставляет такого следа.
Мы не видим саму тёмную материю, но можем наблюдать, как она влияет на движение галактик и искривляет свет от далёких объектов.
Как учёные обнаружили тёмную материю
Первые косвенные свидетельства появились в 1933 году. Швейцарский астроном Фриц Цвикки изучал скопление галактик Кома и обнаружил, что галактики внутри него движутся слишком быстро. Массы видимого вещества было недостаточно, чтобы удержать скопление от распада. Цвикки предположил, что внутри скопления есть дополнительная невидимая масса, и назвал её dunkle Materie — тёмной материей.
Позже появились и другие свидетельства. В 1970-х годах астроном Вера Рубин и её коллеги измерили скорость вращения спиральных галактик и обнаружили неожиданную закономерность: их внешние области вращаются почти так же быстро, как внутренние.
Если бы основная масса галактики была сосредоточена в её видимой части, скорость вращения звёзд на больших расстояниях от центра должна была бы снижаться. Одно из объяснений — вокруг галактик находится огромное гало тёмной материи, которое создаёт дополнительное гравитационное воздействие.
Ещё один способ обнаружить тёмную материю — гравитационное линзирование. Масса искривляет пространство-время, поэтому свет от далёких объектов меняет траекторию. Если наблюдаемое искривление сильнее того, которое может объяснить видимая материя, это указывает на присутствие дополнительной невидимой массы.
Тёмная материя в галактиках и Солнечной системе
Тёмная материя входит в структуру галактик: её гало окружает видимую часть галактики и вносит значительный вклад в её гравитационное поле. Без неё структура Вселенной, которую мы наблюдаем сегодня, формировалась бы иначе.
Согласно современной модели Млечного Пути, Солнечная система находится внутри гало тёмной материи. Ожидаемая плотность тёмной материи здесь очень мала, поэтому её влияние на движение планет ничтожно по сравнению с влиянием Солнца и других обычных источников гравитации. Найти тёмную материю на Земле или в ближайшем космосе пока не удалось. Учёные продолжают искать частицы, из которых она может состоять.
Тёмная энергия: что ускоряет расширение Вселенной
Почему Вселенная расширяется всё быстрее
О том, что Вселенная расширяется, стало известно ещё в 1920-х годах. Но в 1998 году астрономы сделали неожиданное открытие: расширение не замедляется под действием гравитации, а, наоборот, ускоряется.
Главную роль сыграли наблюдения сверхновых типа Ia — объектов, по яркости которых можно оценивать космические расстояния. Оказалось, что далёкие галактики находятся дальше, чем ожидалось бы в замедляющейся Вселенной.
При этом учёные пока не знают, что именно представляет собой тёмная энергия. Возможно, это свойство самого пространства, связанное с энергией вакуума. Возможно, это неизвестное динамическое поле. Наконец, не исключено, что на космологических масштабах придётся каким-то образом пересмотреть наше понимание гравитации.
Главные гипотезы о тёмной энергии
Самая простая и распространённая гипотеза — космологическая постоянная. Её ввёл Альберт Эйнштейн, а в современной космологии она описывает постоянную плотность энергии вакуума.
Модель хорошо согласуется с наблюдениями, но у неё есть серьёзная теоретическая проблема: расчёты квантовой теории поля дают для энергии вакуума значение, которое радикально отличается от наблюдаемого. Это расхождение называют проблемой космологической постоянной.
Другая гипотеза — квинтэссенция. В этом случае тёмная энергия представляет собой динамическое поле, которое может меняться со временем и в пространстве.
Есть ещё один вариант: возможно, ускоренное расширение связано с тем, что общая теория относительности требует уточнения на космологических масштабах.
Последние наблюдения пока не позволяют однозначно определить, является ли тёмная энергия постоянной или меняется со временем.
Что будет с Вселенной в будущем
Если тёмная энергия действительно представляет собой космологическую постоянную, Вселенную ждёт сценарий, который называют «Большим замерзанием». Расширение будет продолжаться, а галактики постепенно окажутся настолько далеко друг от друга, что исчезнут за космическим горизонтом наблюдаемой Вселенной. Звёзды со временем погаснут, а чёрные дыры — при достаточно больших промежутках времени — испарятся. Космос станет всё более холодным и пустым. Речь идёт о временах, которые на многие порядки превышают нынешний возраст Вселенной.
При этом галактики, звёздные системы и атомы не будут разрываться: на небольших масштабах гравитация и другие фундаментальные взаимодействия сильнее влияния расширения Вселенной.
Существует и более экзотический сценарий — «Большой разрыв». Он возможен, если тёмная энергия со временем становится всё сильнее. Тогда расширение в какой-то момент может начать разрушать сначала связи между галактиками, затем звёздными системами и планетами, а в предельном случае — даже атомами.
Современные наблюдения не дают оснований считать такой сценарий основным, но полностью исключить его пока нельзя.
Чем тёмная материя отличается от тёмной энергии
Эти понятия легко перепутать: и тёмная материя, и тёмная энергия невидимы для человека. Но на этом сходство в основном заканчивается.
Тёмная материя связана с гравитацией и помогает формироваться и сохраняться космическим структурам — от галактик до гигантской сети галактических скоплений.
Тёмная энергия, напротив, связана с ускоренным расширением Вселенной. Она не собирается в отдельные объекты вроде звёзд или галактик, а в простейшей модели равномерно заполняет пространство.
Тёмная материя ведёт себя как дополнительный источник гравитации и способствует образованию структур. Тёмная энергия связана с ускоренным расширением Вселенной. Пока нет данных, которые показывали бы, что у них общее происхождение.
При этом о природе обеих сущностей известно очень мало. Мы наблюдаем явления, которые обычно объясняют влиянием тёмной материи и тёмной энергии, но физическая природа этих компонентов остаётся неизвестной.
Как учёные ищут тёмную материю сегодня
Подземные детекторы: поиск частиц тёмной материи
Один из возможных кандидатов на роль тёмной материи — WIMP-частицы, то есть слабовзаимодействующие массивные частицы. Согласно некоторым теориям, они могут крайне редко сталкиваться с обычным веществом.
Чтобы попытаться зарегистрировать такие события, детекторы размещают глубоко под землёй. Слой горной породы защищает оборудование от космических лучей, которые иначе создавали бы слишком много фоновых сигналов.
Один из таких экспериментов — XENONnT в итальянской лаборатории Гран-Сассо. В опубликованных результатах коллаборация не обнаружила значимого сигнала от WIMP выше уровня фоновых событий. Это не означает, что тёмной материи не существует. Эксперимент лишь позволяет исключить определённые варианты того, как гипотетические частицы тёмной материи могут взаимодействовать с обычным веществом. Чем больше таких ограничений получают учёные, тем меньше остаётся пространства для возможных моделей.
Космический телескоп Euclid
Другой подход связан с наблюдением Вселенной в больших масштабах. Космический телескоп Euclid был запущен 1 июля 2023 года Европейским космическим агентством ESA при поддержке NASA. Его задача — создать огромную трёхмерную карту распределения галактик и изучить слабое гравитационное линзирование. По этим данным учёные смогут исследовать, как тёмная материя и тёмная энергия влияли на формирование структуры Вселенной на протяжении миллиардов лет.
Первый крупный космологический релиз Euclid — DR1 — запланирован на октябрь 2026 года; предварительная дата — 21 октября. Он должен содержать данные примерно по 1900 квадратным градусам неба. Предыдущий быстрый релиз Q1 вышел ещё в марте 2025 года, но он не был предназначен для основных космологических исследований. Новые данные помогут точнее определить параметры модели ΛCDM и проверить, насколько хорошо она описывает Вселенную.
Тёмную материю ищут и на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН. При столкновениях частиц на высоких энергиях теоретически могут появляться неизвестные частицы, которые способны быть кандидатами на роль тёмной материи.
Что мы знаем о невидимой Вселенной
Современная космология довольно точно описывает, как Вселенная развивалась и как распределено её содержимое. Но примерно 95% этого содержимого приходится на тёмную материю и тёмную энергию — две сущности, природу которых мы пока не понимаем.
Учёные наблюдают гравитационное влияние тёмной материи и ускоренное расширение Вселенной, связанное с тёмной энергией. Эти эффекты подтверждаются разными независимыми наблюдениями.
Теперь задача — понять, что именно за ними стоит. Для этого работают подземные детекторы, ускорители частиц и космические телескопы. Возможно, будущие эксперименты покажут, что за современной моделью скрывается новое физическое явление. А возможно, окажется, что некоторые наши представления о Вселенной придётся пересмотреть.
