Из чего состоит тёмная материя?

Вопрос

Галактики и скопления галактик движутся так, будто в них гораздо больше массы, чем видно в звёздах, газе и пыли. Следы этой лишней массы несёт и самый древний свет во Вселенной. Недостающую составляющую астрономы называют тёмной материей. Её гравитацию измеряют постоянно. Из чего она состоит, по-прежнему неизвестно.

Что известно

В 1933 году Фриц Цвикки обнаружил, что галактики в скоплении Волосы Вероники движутся слишком быстро: одной видимой массы не хватило бы, чтобы их удержать. С 1970-х годов Вера Рубин, Кент Форд и другие показали, что звёзды и газ на окраинах спиральных галактик обращаются примерно так же быстро, как ближе к центру, — значит, масса простирается далеко за пределы видимого диска.
Гравитационное линзирование — искривление света массой — позволяет составить карту того, где масса находится. В «Скоплении Пуля», где столкнулись два скопления, основная масса разошлась с основной частью обычного вещества (горячего газа). Такую картину трудно объяснить одним только изменением закона тяготения.
Реликтовое излучение, которое точно измерил спутник «Планк», согласуется с моделью, где тёмной материи примерно в пять раз больше, чем обычного вещества. Тёмная материя должна быть «холодной», то есть медленной по сравнению со светом, и небарионной — не состоящей из протонов и нейтронов.
Что бы это ни было, с обычным веществом оно взаимодействует очень слабо или вовсе никак, кроме гравитации. Нейтрино — известные частицы как раз с таким свойством — существуют и вносят небольшой вклад, но они слишком лёгкие и быстрые, чтобы объяснить, как образовались галактики.
Поиски тёмных компактных объектов в гало Млечного Пути — тусклых звёзд, планет, чёрных дыр — показали, что в широком диапазоне масс они не могут составлять большую часть тёмной материи, хотя некоторые «окна» остаются открытыми.

Основные гипотезы

Вимпы

Слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP), по массе сравнимые с атомами, должны были возникнуть в ранней Вселенной примерно в нужном количестве. Это совпадение когда-то назвали «чудом вимпов». Глубоко под землёй детекторы с тоннами жидкого ксенона ждут, когда такая частица ударит в атомное ядро. Пока они не увидели ничего, и допустимая сила таких взаимодействий год за годом становится всё меньше.

Аксионы

Очень лёгкие частицы, которые изначально придумали для решения другой загадки — в теории сильного ядерного взаимодействия. В сильном магнитном поле аксион мог бы превратиться в слабый микроволновый фотон. Эксперименты вроде ADMX медленно перестраивают резонатор по частотам, «прислушиваясь» к такому сигналу.

Тёмный сектор

Тёмная материя может состоять из одной или нескольких частиц со своими собственными силами, почти не связанных с известными нам частицами. Многие такие варианты очень трудно проверить.

Первичные чёрные дыры

Чёрные дыры, возникшие в первые мгновения после Большого взрыва, могли бы играть роль тёмной материи. Большинство диапазонов масс уже исключено наблюдениями, но не все.

Модифицированная гравитация

Возможно, ничего не недостаёт, а сама гравитация ведёт себя иначе при очень малых ускорениях (MOND). Это поразительно хорошо описывает вращение отдельных галактик, но плохо справляется со скоплениями галактик, линзированием и реликтовым излучением, если не добавить хоть сколько-то тёмной материи.

Где заканчивается понимание

Всё, что мы знаем о тёмной материи, известно благодаря её гравитации: сколько её, где она находится, как собирается в сгустки. Мы не знаем ни одного свойства, которое не следовало бы из гравитации. Неизвестно, состоит ли она из частиц, сколько они весят, взаимодействуют ли с чем-нибудь, одно ли это явление или несколько. Серьёзные кандидаты различаются по массе на десятки порядков — от частиц, гораздо более лёгких, чем электрон, до чёрных дыр массой с астероид.

Есть и противоречия на малых масштабах. Некоторые карликовые галактики выглядят иначе, чем предсказывают модели с холодной тёмной материей. Непонятно, указывает ли это на новую физику самой тёмной материи или только на то, что мы не до конца понимаем, как обычное вещество — газ, звёзды, взрывы сверхновых — перестраивает галактики.

Несколько заявленных сигналов — избыток гамма-излучения из центра Галактики, годовые колебания в одном подземном детекторе — не подтвердились независимо или имеют обычные объяснения.

Что могло бы дать ответ

Прямая регистрация в подземном эксперименте, подтверждённая другим экспериментом с другим веществом-мишенью.
Новая частица, рождённая на коллайдере, со свойствами, которые совпадают с астрономическими измерениями.
Чёткий устойчивый сигнал на одной частоте в поисках аксионов.
Астрономические свидетельства того, что тёмная материя взаимодействует сама с собой или распадается, — например, по форме небольших галактик.
Или явная неудача моделей тёмной материи там, где работает модифицированная гравитация; проверки на широких парах звёзд пока дали противоречивые результаты.