Темная материя: что это такое и зачем ученые придумали это понятие
О структуре Вселенной ученые знают сегодня далеко не всё. Одной из главных загадок астрофизики сегодня считается темная материя. Эту субстанцию никто еще ни разу не наблюдал напрямую, а над тем, что она может собой представлять, ломает голову не одно поколение ученых. Но если четких доказательств ее присутствия нет, почему же темная материя вообще должна существовать?
Самая очевидная причина этого — несоответствие наблюдаемых данных теоретическим расчетам. Наблюдения показывают, что многие галактики имеют слишком маленькую массу для того гравитационного воздействия, которое они оказывают. Иными словами, если сложить массу всего видимого вещества в галактике, получится, что она не способна оказывать то гравитационное влияние, которое наблюдается с Земли. Однако, этого недостаточно для введения темной материи, ведь в таком случае можно заменить ее барионной материей, которая просто-напросто не излучает и не видна с Земли.
Обстоятельства, которые вынудили физиков все же ввести темную материю, накапливались со временем. За годы работ ученые накопили множество данных наблюдений удаленных галактик. Они показали, что, например, из разных частей ядра галактик излучение приходит с задержкой во времени. Исследователи стали думать, почему так происходит, в результате чего построили компьютерную модель, которая варьировала параметры так, чтобы теоретические кривые блеска совпали с практическими.
Оказалось, что звезды в галактиках движутся совсем не так, как это было предсказано теорией. Они двигались так, будто на них действовала еще какая-то невидимая сила. Еще одно доказательство наличия невидимой материи ученые обнаружили в нашей собственной Солнечной системе. В 1610-х годах Иоганн Кеплер опубликовал свои работы, в которых описывал законы движения небесных тел. И они хорошо описывали движение всех известных на тот момент планет.
Всё было хорошо ровно до того момента, как в 1781 году Уильям Гершель не открыл Уран. Оказалось, что за 20 лет наблюдений орбита новой планеты несколько раз менялась, и это не объяснялось законами Кеплера. Согласно первому закону Кеплера, планеты вокруг Солнца в отсутствие других действующих на них масс должны двигаться по идеальным эллиптическим траекториям, а в одном из фокусов эллипса должна находиться звезда. Но наблюдения показали, что орбиты планет, например, Меркурия, совершают перцессию — то есть, эллипсы орбит сами вращаются вокруг фокуса, в котором расположено Солнце. Объяснить такое явление ничем, кроме скрытой массы, астрофизикам не удалось.
И барионная материя действительно могла бы объяснить наблюдаемые явления, если бы не теории формирования галактик. На самом деле без введения темной материи с эпохи рекомбинации (Вселенной тогда было всего 480 000 лет) до наших дней не смогло бы возникнуть флуктуаций плотности, столь необходимых для формирования галактик. Чтобы это произошло, нужна электрически нейтральная тёмная материя, переставшая взаимодействовать с излучением задолго до эпохи рекомбинации. Именно она должна отвечать за «слипание» ядер и возникновение квазаров, которые собирали вокруг себя диски вещества, в которых затем формировались звезды.
Источник: Ethan Siegel/Medium.
Темная материя нужна физикам не просто так. Без нее на самом деле не обойтись, ведь сразу несколько наблюдаемых явлений говорят о необходимости введения такой субстанции. Правда пока что ее природа остается неизвестной