Темна матерія

Темна матерія — один із компонентів Всесвіту, існування якого виявлено нещодавно лише за ядерній) взаємодії. Припущення про її існування необхідне для пояснення розбіжностей між:

гравітаційним впливом на видиму матерію і на фонове випромінювання, оскільки вона не випромінює і не розсіює електромагнітне випромінювання, а також не бере участі у сильній (ядерній) взаємодії. Припущення про її існування необхідне для пояснення розбіжностей між:

• масами галактик, скупчень галактик та усього Всесвіту, виміряних за їхніми динамічними характеристиками, та 
• масами видимої у них матерії — зірок, газу і пилу з міжзоряного і міжгалактичного середовища.
•  

На основі спостережень структур більших за розмірами галактик та їх інтерпретації у рамках теорії Великого Вибуху встановлено, що темна матерія становить 23% від сумарної густини усіх компонент Всесвіту. Для порівняння, звичайна речовина становить лише 4,6% від сумарної густини Всесвіту, решта густини — 72,4% припадає на темну енергію. Якщо не брати до уваги темну енергію, то темна матерія становить близько 80% від густини матерії Всесвіту, а звичайна (видима) матерія становить лише близько 20%.

Термін «темна матерія» був запропонований Фріцем Цвіккі у 1934 році для позначення невидимої маси, на існування якої вказують виміряні орбітальні швидкості галактик у скупченнях. Згодом і інші спостереження вказали на наявність темної матерії у Всесвіті. Ці спостереження включають:

• швидкості обертання галактик, визначені за доплерівськими зміщеннями у їх спектрах;
• гравітаційне лінзування фонових об'єктів скупченями галактик;
• розподіли температури та інтенсивності гарячого газу в галактиках і скупченнях галактик;
• динамічні характеристики Всесвіту, такі як стала Габбла та параметр прискорення;
• анізотропія температури та поляризації реліктового випромінювання;
• великомасштабна структура Всесвіту тощо.

Темна матерія відіграє центральну роль у моделях формування великомасштабної структури та еволюції галактик і має помітний вплив на анізотропію температури та поляризації реліктового випромінювання. Усі ці дані свідчать про те, що галактики, скупчення галактик і Всесвіт у цілому містять набагато більше матерії, ніж та, яка взаємодіє з електромагнітним випромінюванням. Велика частина темної матерії, яка не взаємодіє з електромагнітним випромінюванням, є не тільки «темною» (не випромінює світло), а, за визначенням, абсолютно прозорою (не поглинає і не розсіює світло).

Хоча темна матерія відіграє важливу роль у космології, прямі докази її існування і конкретного розуміння її природи залишаються недосяжною метою. Гіпотеза про існування темної матерії залишається найбільш широко прийнятною для пояснень спостережуваних аномалій у галактичному обертанні, однак розглядаються і альтернативні підходи, які загалом відносяться до категорій квантових та модифікованих класичних теорій гравітаційної взаємодії.

Перший доказ на користь існування темної матерії було отримано Фріцем Цвіккі в Каліфорнійському технологічному інституті в 1933 році. Він застосував теорему віріалу до багатого скупчення галактик у сузір'ї Кома і отримав свідчення про існування невидимої маси. Цвіккі оцінив загальну масу скупчення на базі руху галактик поблизу її краю і порівняв її із видимою масою, оціненою за кількістю галактик і загальною яскравістю скупчення. Він виявив, що розрахованої за теоремою віріалу маси приблизно в 400 разів більше за візуально спостережувану. Маси видимих галактик в скупченні було занадто мало для пояснення їхніх орбітальних швидкостей. Цей факт відомий як «проблема прихованої маси». Цвіккі зробив висновок, що існує якась невидима форма матерії, яка забезпечує достатню кількість маси, а отже і гравітації, що не дозволяє скупченню розлітатись.

Велика частка доказів існування темної матерії походить з вивчення рухів галактик. Багато з них є досить однорідними, і тому, згідно з теоремою Віріала, загальна кінетична енергія повинна становити половину від загальної гравітаційної енергії галактик. Проте спостереження свідчать, що кінетичної енергії виявляється значно більше. Зокрема, покладаючи, що гравітаційна маса зумовлена лише видимою матерією галактики, приходимо до висновку, що зорі далеко від центру галактики мають набагато більші швидкості, ніж ті, які передбачає теорема Віріала. Галактичні криві обертання — залежність швидкостей обертання від відстані до центру галактик, не може пояснити тільки видима матерія. Припущення, що видима матерія становить лише невелику частину галактик, є найпростішим способом пояснити це. Дуже часто галактики виказують ознаки того, що складаються в основному з приблизно сферично-симетричного гало темної матерії та видимої матерії зосередженої в диску. Низька поверхнева яскравість карликових галактик є важливим джерелом інформації для вивчення темної матерії, так як вони мають надзвичайно низьке співвідношення вмістів видимої матерії до темній матерії. У них є кілька яскравих зір у центрі, які без наявності темної матерії привели б до зовсім іншої спостережуваної кривої обертання віддалених від центру зірок.

Спостереження гравітаційного лінзування фонових галактик скупченями галактик, дають прямі оцінки повної маси скупчень разом з темною матерією. У скупченнях, таких як Abell 1689, ефектами лінзування підтверджено наявність значно більшої маси від тієї, що світиться.