Название «Темная материя» – это всего лишь термин, который ученые придумали для вещества, которое, похоже, отсутствует в нашем представлении о Вселенной. Темная материя формировалась на ранних этапах истории Вселенной, что подтверждается космическим микроволновым фоном – тонким слоем излучения, оставшимся с первых мгновений рождения Вселенной. Хотя вопросы о составе и структуре темной материи остаются открытыми, ученые уже знают, что это вещество существует и существует невероятно долго.
Темная материя не проявляет признаков распада, как это происходит с тяжелыми частицами в Стандартной модели физики. Это позволяет ей формировать галактики, не взаимодействуя с ними напрямую. Считается, что без способности темной материи влиять на эволюцию Вселенной, большинство галактик не смогли бы образоваться так, как они образованы сейчас.
В 1930-х годах Фриц Цвикки, астрофизик из Швейцарии, заметил необычное поведение галактик в скоплении Кома. Они демонстрировали поведение, которое можно было бы ожидать от объектов, в 400 раз тяжелее, чем если бы они состояли только из светящегося материала. Цвикки придумал термин «темная материя», чтобы описать то, что могло бы дополнительно придавать галактикам массу.
В 1970-х годах Вера Рубин, астроном из Института Карнеги в Вашингтоне, использовала данные, полученные с помощью спектрографа, чтобы определить, что спиральные галактики, такие как наша, также казались более тяжелыми, чем они должны быть на самом деле. Они вращались быстрее, чем это можно было бы ожидать, вероятно находясь в невидимых ореолах темной материи.
Гравитационное линзирование – процесс, при котором скопления темной материи искажают свет, проходящий через космос. Изучая его, астрономы могут составить карту распределения невидимой ранее темной материи. Как и обычная материя, темная материя распределена неравномерно по Вселенной. Астрофизики считают, что при формировании галактик области, где было больше темной материи, притянули к себе больше материи, что привело к распределению галактик, видимому нами сейчас.
Темная материя, несмотря на свое огромное влияние, отличается нейтральностью и избегает большинства видов взаимодействий, которым подвергаются частицы стандартной модели. Составляющие элементы темной материи взаимодействуют меньше, чем электроны и протоны, что подтверждается наблюдениями реликтового излучения, в котором обнаружен компонент, не взаимодействующий с этими частицами. Если бы во Вселенной была другая структура темной материи или ее количество было бы немного больше или меньше, то галактики могли бы образоваться позже, с другой плотностью или вообще не образоваться.
Несмотря на то, что астрофизики до сих пор не могут точно определить, что такое темная материя, они знают, что темная материя настолько нереактивна, что не взаимодействует даже сама с собой. Когда две галактики сливаются, компоненты темной материи просто проходят друг сквозь друга, словно призраки.
В космосе темная материя составляет 90% всех известных материальных объектов. Физики называют это количество «космологическим изобилием».
Многое о составе Вселенной, особенно в ее первые дни, когда она была намного меньше и плотнее, может сообщить это космологическое изобилие. Ученые активно ищут различные возможные компоненты темной материи. Общая масса темной материи, состоящей либо из меньшего количества тяжелых вимпов, либо большего количества легких аксионов, должна соответствовать мере космологического изобилия. Количественная оценка силы взаимодействия, скорости рассеяния и других потенциальных свойств темной материи была бы потрясающей. Для науки огромным скачком стало бы получение какого-либо подтверждения и нахождение еще одного количественно оцениваемого свойства темной материи.
