Тёмная Материя: Природа, Свойства и Современные Методы Исследования

Тёмная материя представляет собой одну из величайших научных загадок современности, составляя примерно четверть всей массы-энергии Вселенной и оказывая огромное влияние на структуру космоса[1][1]. Несмотря на целое столетие изучения, природа этого таинственного вещества остаётся неизвестной, хотя его существование доказано множеством косвенных наблюдений, включая аномальные кривые вращения галактик, гравитационное линзирование и анизотропию реликтового излучения[1][2]. На сегодняшний день научное сообщество предлагает несколько гипотез относительно состава тёмной материи, от слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP) до первичных чёрных дыр и аксионов[2][6][7]. Исследование тёмной материи ведётся в десятках научных учреждений по всему миру с использованием разнообразных методов — от подземных детекторов, защищённых от космических лучей, до наблюдений с помощью передовых космических телескопов[8][9]. Данный обзор представляет комплексный анализ состояния современной науки о тёмной материи, включая её определение, теоретические модели, экспериментальные методы поиска и роль ведущих научных коллективов в этом фундаментальном направлении исследований.

Определение и Фундаментальные Свойства Тёмной Материи

Тёмная материя в астрономии и космологии определяется как гипотетическая форма материи, которая не участвует в электромагнитном взаимодействии и поэтому недоступна прямому наблюдению посредством оптических приборов[1][1]. Это определение подчёркивает её ключевую особенность — полное отсутствие взаимодействия с электромагнитным излучением, что означает, что тёмная материя не излучает, не поглощает и не отражает свет на любых частотах электромагнитного спектра[3]. Тем не менее, о наличии тёмной материи можно судить исключительно по её гравитационному взаимодействию с видимой материей и наблюдаемыми структурами Вселенной[3]. Согласно данным, полученным космической обсерваторией «Планк» в марте 2013 года и интерпретированным в рамках стандартной космологической модели Лямбда-CDM, общая масса-энергия наблюдаемой Вселенной состоит на 4,9 процента из обычной барионной материи, на 26,8 процента из тёмной материи и на 68,3 процента из тёмной энергии[1][1]. Таким образом, вся невидимая компонента составляет 95,1 процента Вселенной, при этом собственно тёмная материя занимает около четверти всей массы-энергии космоса[1][1].

Пространственное распределение тёмной материи отличается от распределения видимой материи, что является одной из её наиболее интригующих характеристик[5]. Выявлено, что тёмная материя присутствует на всех уровнях галактической иерархии, причём её доля растёт с увеличением масштаба рассматриваемых структур[1][1]. В двойных звёздных системах доля тёмной материи превышает вклад видимой материи в несколько раз, а в скоплениях галактик, состоящих из сотен и тысяч объектов, это превышение составляет десятки или даже сотни раз[1][1]. Этот закономерный рост доли тёмной материи со скоростью увеличения масштаба структур указывает на фундаментальную роль тёмной материи в формировании крупномасштабной структуры Вселенной. Отмечается, что тёмная материя создаёт невидимые каркасы, в которых рождаются галактики, выступая в качестве первоначального «архитектора» Вселенной[54]. Без этого невидимого скелета, созданного гравитацией тёмной материи на ранних этапах расширения космоса, даже такие гигантские структуры, как наш Млечный Путь, не смогли бы сохранить свою целостность и сформировать видимую нам структуру[54].

История Открытия и Развитие Представлений о Тёмной Материи

Ранние Теоретические Предположения

История тёмной материи, как научной гипотезы, исторически связана с проблемой скрытой массы, когда наблюдаемое движение небесных тел отклоняется от законов небесной механики, установленных Ньютоном и Кеплером[1][1]. В XIX веке такие аномалии часто находили объяснение в существовании неизвестных материальных тел, которые впоследствии нередко были открыты — как, например, планета Нептун, обнаруженная благодаря возмущениям в орбите Урана[1]. В начале XX века астрономы начали проводить более систематические исследования движения звёзд в галактиках и межгалактических скоростей. Британский астроном Джеймс Джинс, исследовавший движение звёзд в Млечном Пути, предположил, что на каждую видимую звезду приходится две «тёмные» звезды[1]. Позднее нидерландский астроном Ян Оорт в 1932 году опубликовал более точную оценку плотности тёмной материи в окрестности Солнечной системы на основании анализа вертикальных колебаний звёзд относительно плоскости Млечного Пути[1][1]. Оорт вычислил, что общая плотность вещества превышает плотность обычной видимой материи всего вдвое, что получило название «предела Оорта»[1]. Таким образом, в период первой половины XX века считалось, что тёмная материя представляет собой буквально тёмное вещество, просто не излучающее достаточно света для обнаружения земными инструментами[1].

Фундаментальные Открытия Фрица Цвикки и Веры Рубин

Серьёзное исследование тёмной материи, в том числе на внегалактических масштабах, фактически началось с работ австрийского астронома Фрица Цвикки, который в 1933 году обнаружил необычно большой разброс радиальных скоростей восьми галактик в скоплении Волосы Вероники[1][23]. Анализируя движение этих галактик в скоплении, Цвикки рассчитал общую массу скопления, необходимую для гравитационного удержания галактик, и обнаружил поразительное расхождение[23]. Суммарная масса видимых галактик в скоплении Волосы Вероники оказалась в сотни раз меньше, чем массу скопления, найденная на основании вычислений, основанных на скоростях движения галактик[23]. Это означало, что основная масса вещества в скоплении остаётся невидимой для наблюдателя, что послужило убедительным доказательством существования тёмной материи[23]. Цвикки предположил, что свет далёких объектов может искривляться на таких скоплениях галактик, предсказав явление гравитационного линзирования, которое получило подтверждение в 1979 году[23]. Однако, к сожалению, Цвикки скончался за несколько лет до того, как его предсказание было экспериментально подтверждено[23].

Огромный вклад в принятие гипотезы тёмной материи внесли в конце 1960-х и начале 1970-х годов американские астрономы Вера Рубин из Института Карнеги и Кент Форд[1][27]. Вера Рубин, родившаяся в 1928 году, стала пионером наблюдательной астрономии и известна своими пионерскими исследованиями скорости вращения галактик[27]. В своей докторской диссертации, защищённой в 1954 году под руководством Георгия Антоновича Гамова, Рубин исследовала пространственное распределение галактик и обнаружила, что галактики находятся скорее в скученном состоянии, чем случайно разбросаны по Вселенной[27]. В 1960-х годах Вера Рубин вместе с Кентом Фордом приступила к наблюдениям ближайшего соседа Млечного Пути — спиральной галактики М31 (Галактика Андромеды)[27]. Они были первыми, кто получил точные и надёжные спектрографические данные по скорости вращения звёзд в этой галактике, используя передовые инструменты, позволившие измерить скорости с беспрецедентной точностью[27].

В последующие годы Рубин продолжила эти исследования, проведя систематические наблюдения 21 спиральной галактики типа Sc по классификации Хаббла[27]. На основе полученных спектрографических данных был построен график кривых вращения, который показал, что ни одна из этих кривых не имела классическую, убывающую форму, которая следует из законов Кеплера[27]. Вместо этого кривые вращения галактик оставались пологими на больших расстояниях от центра галактики, что означало отсутствие ожидаемого снижения скорости вращения на периферии[12]. Результаты, полученные Рубин и Фордом, наряду с наблюдениями в радиодиапазоне (на длине волны 21 сантиметр) распределения нейтрального водорода по галактическому диску, стали рассматриваться как ключевое свидетельство в пользу гипотезы Фрица Цвикки о существовании скрытой массы — невидимой тёмной материи[27]. Этот факт, получивший известность как «проблема вращения галактики», стал одним из основных и наиболее убедительных доказательств существования тёмной материи[27]. Примечательно, что ни Фриц Цвикки, ни Вера Рубин не получили Нобелевской премии за свои фундаментальные работы, хотя за исследования в этой области Нобелевские премии были присуждены четырём другим учёным[23].

Современное Признание и Теоретические Развития

В 1980-х годах научное сообщество единогласно признала существование тёмной материи[16]. Важным моментом в развитии представлений о тёмной материи стала работа Альберта Босмы из Гронингенского университета, который в 1978 году в своей докторской диссертации представил пологие кривые вращения уже для 25 галактик[1]. В этот же период были сформулированы, помимо наблюдательных, и теоретические аргументы в пользу существования тёмной материи, основанные на космологических соображениях и результатах численного моделирования эволюции структур во Вселенной[1]. По мере развития наблюдательной техники и совершенствования методов анализа данных выяснилось, что тёмная материя присутствует не только в больших галактиках, но и в меньших масштабах, включая галактические ореолы и скопления галактик[1]. Наблюдение слияния галактических скоплений MACS J0018.5+1626 в 2024 году позволило учёным впервые в истории картировать скорости тёмной и барионной материй, показав, что они разделились и продолжили движение в противоположных направлениях[1]. Это наблюдение не только еще раз доказало существование тёмной материи, но и дало в руки учёных новый инструмент для её прямого исследования[1].

Теоретические Модели и Кандидаты на Роль Тёмной Материи

Холодная Тёмная Материя и WIMP

Главная проблема с холодной тёмной материей состоит в том, что у современной Стандартной модели просто нет известных элементарных частиц, из которых она могла бы состоять[2]. Требуемая частица должна быть достаточно тяжёлой, не взаимодействовать с обычными протонами, нейтронами и электронами и не порождать фотоны[2]. Кроме того, она должна быть достаточно стабильной, чтобы не выдавать себя при распаде[2]. На сегодняшний день наиболее обоснованным кандидатом на роль частиц холодной тёмной материи считаются слабовзаимодействующие массивные частицы, обозначаемые аббревиатурой WIMP (Weakly Interacting Massive Particle)[2][6]. Термин «вимп» широко используется в разговорной речи специалистов и обозначает гипотетическую частицу, которая взаимодействует только через слабое и гравитационное взаимодействия[6]. Вимпы являются кандидатами на роль основного компонента холодной тёмной материи, которая даёт около четверти вклада в общую плотность Вселенной, при этом наблюдаемая барионная плотность в шесть раз меньше[6]. Реликтовые вимпы, рождённые вскоре после Большого Взрыва, очень трудно обнаружить экспериментально, так как они взаимодействуют только слабо, и произошло множество расчётов, ограничивающих их параметры[6].

Масса вимпов должна быть как минимум в несколько десятков раз больше массы протона, что соответствует энергиям в несколько ГэВ/с²[6]. Среди возможных кандидатов на роль вимпов чаще всего рассматриваются легчайшие суперсимметричные частицы, известные как нейтралино[2][6]. Нейтралино в большинстве теорий суперсимметрии являются стабильными и представляют собой квантовую «смесь» суперпартнёров фотона, Z-бозона и бозона Хиггса[6][1]. Предполагается, что из четырёх фундаментальных взаимодействий вимпы участвуют только в слабом и гравитационном, что делает их практически неуловимыми для прямого обнаружения[6]. Считается, что вимпы составляют сферическое гало в нашей Галактике и движутся хаотически с максвелловским распределением по скоростям, причём средняя скорость в районе Солнца составляет около 300 км/с[6]. Если сечение рассеяния вимпов на атомном ядре не слишком мало, возможно их прямое детектирование с помощью ядерных детекторов, хорошо защищённых от внешнего фона, в частности расположенных глубоко под землёй для защиты от космического излучения[6].

Аксионы и Другие Кандидаты

Аксионы представляют собой альтернативный и, вероятно, более экзотический кандидат на роль частиц тёмной материи[2][7][1]. Эта частица была введена теоретически для решения проблемы отсутствия сильного нарушения CP-симметрии в квантовой хромодинамике, задолго до предположения, что она могла бы быть кандидатом на роль тёмной материи[1]. Все теории согласны с тем, что аксион должен быть нейтральной частицей, которая намного легче вимпа, почти не вступает в электромагнитное взаимодействие и распадается на два фотона[2]. Основной кандидат из группы очень слабовзаимодействующих лёгких частиц (WISP) — аксион, возникающий в теории сильного взаимодействия и имеющий очень малую массу[28]. Эта очень лёгкая стабильная и электрически нейтральная частица (с массой, измеряемой миллионными долями электронвольта) способна в очень сильных магнитных полях превращаться в фотон-фотонную пару, что дает намек на то, как можно попытаться её обнаружить в эксперименте[28]. Если направить лазерное излучение на непрозрачную стенку, в области которой создать с помощью сверхпроводящих магнитов очень мощное магнитное поле (десятки тесла), фотон в этом поле может превратиться в аксион, который пройдёт сквозь стену, практически не заметив её, а за ней снова превратится в фотон[28].

Существует также теория, что существуют стерильные нейтрино — не открытые ранее разновидности нейтрино, которые не участвуют даже в слабом взаимодействии и могут образовываться из обычных нейтрино лишь посредством осцилляций[1]. Помимо этих кандидатов, есть также теории, что тёмная материя состоит не из одного, а из нескольких видов частиц, где каждый из них можно обнаружить в отдельном эксперименте, и они могут объяснять разные явления, наблюдаемые во Вселенной[2]. Отдельно от других теорий холодной тёмной материи следует упомянуть первичные чёрные дыры, гипотетический тип чёрных дыр, которые образовывались не за счёт гравитационного коллапса крупной звезды, а в сверхплотной материи в момент начального расширения Вселенной[29]. Космологи высказывают предположение, что первичные чёрные дыры с массами в диапазоне от 10¹⁴ килограммов до 10²³ килограммов (то есть приблизительно массы астероидов) могут составлять тёмную материю[29]. Это наиболее тяжёлые кандидаты на роль «частиц» тёмной материи, включающие объекты как достаточно мелкие, чтобы они могли сохраниться до настоящего времени, и при этом достаточно большие, чтобы объяснить наблюдаемый эффект гравитационных линз[29].

Современные Развития: Двухкомпонентные Модели

Недавние исследования выявили существенные противоречия в наблюдениях, которые требуют переосмысления представлений о природе тёмной материи[37][38]. Команда учёных, включая исследователей из Ферми-лаборатории, показала, что различные соотношения типов тёмной материи могут создавать уникальные наборы данных[37]. Это может объяснить, почему тёмная материя остаётся столь неуловимой для современных детекторов[37]. Например, гамма-излучение, связанное с аннигиляцией частиц тёмной материи, наблюдается в центре Млечного Пути, но не фиксируется в других галактиках[37][38]. Если определённые теории тёмной материи верны, то её должно быть видно в каждой галактике, например, в каждой карликовой галактике[37]. Однако отсутствие сигналов в карликовых галактиках указывает на то, что тёмная материя может состоять из двух типов частиц, которые ведут себя иначе[37][38].

Новая гипотеза предполагает, что в центре Млечного Пути оба компонента темной материи могут присутствовать примерно в равных пропорциях, что приводит к частым столкновениям частиц и, как следствие, к интенсивному гамма-излучению, которое наблюдают учёные[38]. В то же время в карликовых галактиках баланс может быть сильно смещен в сторону одного из компонентов, что затрудняет встречу частиц разных типов и делает аннигиляцию крайне редкой[38]. Эта гибкая модель не отбрасывает возможность обнаружения тёмной материи по следам аннигиляции, а напротив, открывает новые перспективы для её изучения[38].

Методы Обнаружения и Экспериментальные Подходы

Прямое Обнаружение и Подземные Детекторы

Поиск тёмной материи — одна из самых амбициозных задач современной физики[8]. Хотя мы не можем наблюдать эти частицы напрямую, ученые предполагают, что в редких случаях они могут взаимодействовать с обычной материей, оставляя слабые, но уловимые следы[8]. На этом принципе строится работа различных детекторов, каждый из которых использует свой подход к «вылавливанию» этих невидимых частиц[8]. Наиболее распространённый метод обнаружения — прямое обнаружение, в основе которого лежат подземные установки, заполненные жидким ксеноном или аргоном[8]. Если частица тёмной материи сталкивается с ядром атома или электроном внутри детектора, она может вызвать микроскопическую вспышку света, известную как сцинтилляция, или ионизацию — выбивание электронов[8].

Идея размещения детекторов глубоко под землёй основана на том, что толща земли должна остановить все частицы, поступающие из космоса, кроме частиц тёмной материи, которые пройдут через неё практически беспрепятственно[14]. Частицы тёмной материи, проникнув в подземную лабораторию, попадают в специальный цилиндр, в котором хранится благородный газ (ксенон или аргон), где они взаимодействуют с газом, ионизируют его, а сами распадаются на видимые частицы — фотоны[14]. События, происходящие в цилиндре, регистрирует детектор, и по характеристикам реакции он может определить, была ли попавшая частица связана с тёмной материей[14]. Криогенные детекторы используют сильно охлажденные кристаллы германия или кремния, где при столкновении частицы тёмной материи с атомом в кристалле выделяется крошечное количество тепла или электрического заряда — сигнал, который можно зафиксировать при температурах, близких к абсолютному нулю[8].

Косвенное Обнаружение и Гравитационное Линзирование

Существуют методы косвенного обнаружения, при которых ученые ищут не сами частицы тёмной материи, а то, что остаётся после их распада или столкновений[8]. Когда такие частицы сталкиваются и уничтожают друг друга в процессе, называемом аннигиляцией, они могут порождать другие частицы — например, нейтрино, гамма-лучи (высокоэнергетическое излучение) или даже частицы антиматерии[8]. Эти сигналы могут приходить из центра Галактики, Солнца или других областей, где тёмной материи, как считают учёные, особенно много[8]. Гравитационное линзирование — это феномен искривления света от далёкого источника, когда этот свет на пути к наблюдателю проходит вблизи от массивного объекта, например галактики или галактического скопления[47]. Гравитационное линзирование может применяться для дистанционного взвешивания галактик и отлично подходит для поисков тёмной материи, так как оптическая астрономия принципиально неприменима для поисков вещества, не испускающего и не отражающего электромагнитное излучение[47].

Гравитационное микролинзирование позволяет изучать мелкие объекты, которые не дают собственного света, а только отражают свет сильного источника[47]. При гравитационном микролинзировании мы имеем дело со «звёздными», а не с «галактическими» массами — то есть эти массы сравнительно невелики[47]. В настоящее время предпринимаются попытки всё шире использовать гравитационное микролинзирование в оптическом диапазоне, например, для поисков холодной тёмной материи в галактических скоплениях[47]. Гравитационное линзирование представляет научный интерес при рассмотрении множества галактик, когда в поиск включаются статистические аспекты, и найти подходящую линзу становится тем проще, чем шире обзор[47]. Влияние слабого гравитационного линзирования выделяется при статистическом анализе множества изображений наземных и космических телескопов[1]. При отсутствии близкой концентрации массы ориентация далёких фоновых галактик должна быть хаотической, но если такая масса присутствует, это приводит к изменению видимых вытянутостей галактик и появлению некоторой упорядоченности в их ориентациях[1].

Ускорительные Эксперименты и Альтернативные Подходы

Часть ученых делает ставку на акселераторные эксперименты — это эксперименты на огромных установках, таких как Большой адронный коллайдер, где частицы разгоняют до околосветовой скорости и сталкивают друг с другом[8]. Здесь создаются условия для возможного рождения частиц тёмной материи в столкновениях с высокими энергиями[8]. Такие события не наблюдаются напрямую, но фиксируются по исчезновению энергии или отклонению траекторий частиц[8]. Новый эксперимент FASER (Forward Search Experiment) на Большом адронном коллайдере предназначен для изучения взаимодействий высокоэнергетических нейтрино и поиска новых, ещё не открытых лёгких и слабо взаимодействующих частиц, которые, согласно расчётам учёных, взаимодействуют с тёмной материей[15]. Установка расположена в неиспользуемом служебном туннеле вдоль оси столкновения лучей, всего в 480 метрах от детектора ATLAS[15]. FASER имеет длину 5 метров и у его входа расположены две сцинтилляторные станции, устраняющие фоновые помехи от заряженных частиц[15].

Проводятся также прецизионные эксперименты с частицами в электромагнитных ловушках, где можно удерживать и контролировать отдельные электроны, атомы и молекулы в течение длительного времени[14]. Это позволяет с точностью на уровне одной триллионной измерить частоты колебаний атома, из которых можно определить его свойства, например магнитный момент[14]. Исследователи также составляют карты распределения массы тёмной материи, помимо вращения галактик, с помощью гравитационного линзирования[14]. Зная количество и массу видимых объектов вроде галактик и звёзд, расстояние до объекта-линзы и наблюдаемой звезды, а также посчитав степень отклонения изображения, учёные могут вычислить распределение массы тёмной материи[14].

Ведущие Научные Учреждения и Текущие Эксперименты

Европейские Проекты: XENON и Другие Инициативы

Исследовательский проект XENON является одним из наиболее передовых и чувствительных детекторов для поиска WIMP и лёгкой тёмной материи, расположенный в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии[8][9][9]. Проект находится под руководством итальянского физика и профессора Колумбийского университета Елены Априле[9][44], которая является основателем и спикером эксперимента и получила признание за её работу с детекторами на основе жидкостей[40]. Во главе группы ученых-исследователей, работающих над XENON, стоит международная коллаборация, включающая учёных из множества стран[9]. В эксперименте XENON используется двухфазная время-проекционная камера, которая в нижней части заполнена жидким ксеноном, а в верхней — газообразным ксеноном[9][9]. Две матрицы фотоэлектронных умножителей обеспечивают детектирование сцинтилляций и световой электролюминесценции, когда заряженные частицы взаимодействуют с веществом в детекторе[9].

Строительство третьей фазы под названием XENON1T началось в зале B лаборатории Гран-Сассо в 2014 году[9]. Проект детектора предусматривает 3,5 тонны ультра радио-очищенного жидкого ксенона, из которых на область мишени будет приходиться более 1 тонны[9][9]. Детектор помещён в наполненную водой оболочку высотой 10 метров, которая выполняет роль «мюонного вето»[9][9]. Время-проекционная камера имеет 1 метр в диаметре и столько же в высоту[9][9]. На детекторе планируется изучить и протестировать некоторые теоретические модели, которые являются кандидатами на суперсимметрию[9]. XENONnT продолжает собирать данные, совершенствуя методы подавления фонового шума, такого как радиоактивность и космические лучи[8]. Его успехи делают его лидером в гонке за прямым обнаружением, но отсутствие сигналов подчёркивает сложность задачи поиска редчайших событий[8].

Важной инициативой является также проект SABRE (Sodium-iodide with Active Background REjection), который развивается в двух местах: SABRE South в Австралии и оригинальный DAMA/LIBRA в Италии[20][20]. В 2026 году на базе подземной физической лаборатории Стауэлл (SUPL), расположенной в штате Виктория на юго-востоке Австралии, стартует эксперимент с детектором темной материи SABRE South[20][20]. Комплекс, построенный в заброшенной золотоносной шахте Стауэлл в 2022 году, стал первым подобным сооружением в Южном полушарии[20]. Глубокое расположение на уровне 1400 метров под землёй защищает детекторы от космических лучей, которые на поверхности создают шум, заглушающий редкие сигналы тёмной материи[20][20]. В ходе испытаний ученые сравнивали уровень мюонов — частиц, рождающихся при столкновении космических лучей с атмосферой — внутри и снаружи лаборатории[20]. На поверхности было бы зарегистрировано около 8,4 миллиарда мюонов, но внутри SUPL детекторы насчитали всего 30 тысяч[20]. Этот показатель соответствует уровню лучших подземных лабораторий мира, включая британскую Болби и итальянский Гран-Сассо[20].

Американские и Азиатские Проекты

LUX-ZEPLIN (LZ) — это мощный эксперимент по поиску тёмной материи, расположенный в подземной лаборатории Сэнфорд в США на глубине около 1,5 километра в старой золотой шахте в Южной Дакоте[8][34][46]. Название LZ происходит от слияния двух предыдущих тёмной материи экспериментов: LUX (Large Underground Xenon) и ZEPLIN (ZonEd Proportional scintillation in LIquid Noble gases)[34]. LUX-ZEPLIN является экспериментом следующего поколения, отобранным Министерством энергетики США в качестве одного из трёх «G2» (Generation 2) проектов по поиску тёмной материи[34]. Эксперимент использует 7 тонн жидкого ксенона, охлаждённого до 172 кельвинов (минус 100 градусов Цельсия), чтобы искать частицы тёмной материи, называемые WIMP[8][46]. Если частица тёмной материи врежется в ядро ксенона, она должна выдать крошечную вспышку света[46]. Детектор имеет 494 световых датчика для обнаружения этих вспышек[46]. Хотя последние результаты LZ не обнаружили никаких признаков тёмной материи, они позволили отсеять множество лишних данных, не имеющих отношения к предмету поиска[46]. Например, в ходе эксперимента не было найдено следов частиц с массой более 1,6 на 10⁻²⁶ килограмма, что примерно в 10 раз тяжелее протона[46]. LZ была разработана с целью улучшить чувствительность предыдущего поколения экспериментов минимум в 50 раз[34]. LZ коллаборация состоит из около 250 учёных в 39 учреждениях в США, Великобритании, Португалии, Швейцарии, Южной Корее и Австралии[34].

На противоположной стороне земного шара, PandaX-4T — это эксперимент в Китайской подземной лаборатории Цзиньпин (CJPL), самой глубокой в мире подземной лаборатории, что обеспечивает исключительную защиту от космических лучей[8][35]. PandaX (Particle and Astrophysical Xenon Experiments) — это экспериментальная программа, которая использует серию ксенонных детекторов для поиска неуловимых частиц тёмной материи и изучения фундаментальных свойств нейтрино[35]. PandaX был основан в 2009 году профессором Сянъдуном Джи, который служил первым спикером коллаборации до 2018 года[35]. Коллаборация построила и эксплуатировала три поколения экспериментов: PandaX-I, PandaX-II и PandaX-4T, с активными массами мишени 120 килограммов, 580 килограммов и 3,7 тонны соответственно[35]. PandaX-4T использует 3,7 тонны жидкого ксенона для поиска тёмной материи, такой как WIMP и лёгкие частицы[8]. Коллаборация также готовит следующее поколение мульти-десятитонного эксперимента PandaX-xT, который должен стать конечным экспериментом прямого обнаружения тёмной материи и ведущим проектом для проверки природы Майораны нейтрино[35].

Телескопические Проекты и Картирование Тёмной Материи

LSST (Legacy Survey of Space and Time) — это амбициозный проект создания мощной цифровой камеры размером с автомобиль для исследования Вселенной[21]. После двух десятилетий работы ученые и инженеры Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики представили эту 3200-мегапиксельную камеру[21]. Её основная задача — составить карту и измерить яркость огромного количества объектов ночного неба[21]. LSST будет искать признаки слабого гравитационного линзирования, при котором массивные галактики слегка искривляют пути света от фоновых объектов[21]. Со временем это поможет космологам понять, как тёмная энергия управляет расширением Вселенной[21]. Учёные также хотят изучить закономерности в распределении галактик и то, как они изменились с течением времени, выявляя скопления тёмной материи и обнаруживая сверхновые[21]. Это откроет путь к дальнейшему пониманию как природы тёмной материи, так и тёмной энергии[21].

Недавние исследования с использованием космического телескопа Джеймса Уэбба создали самую подробную карту распределения тёмной материи во Вселенной[54]. Эта карта проливает свет на ключевую роль невидимого вещества в формировании галактик, звёзд и планет, включая нашу Солнечную систему[54]. Карта охватывает участок неба, который в 2,5 раза больше диска полной Луны, и была получена благодаря 255 часам наблюдений телескопа Уэбба[54]. Этот мощный инструмент позволил обнаружить около 800 тысяч галактик, многие из которых ранее были неизвестны[54]. Ученые анализировали искажение света от далёких галактик, вызванное гравитационным влиянием тёмной материи, подобно тому, как свет преломляется, проходя через деформированное стекло[54]. Полученное изображение отличается высокой детализацией, превосходя в два раза карты, созданные с помощью космического телескопа «Хаббл», и примерно в 10 раз наземными обсерваториями[54].

Альтернативные Теории и Критические Обсуждения

Модифицированная Ньютоновская Динамика (MOND)

Существует несколько альтернативных объяснений кривых вращения галактик, не связанных с наличием тёмной материи[12][25]. Одна из самых обсуждаемых альтернатив — теория MOND (Modified Newtonian Dynamics — Модифицированная ньютоновская динамика), изначально предложенная в 1983 году израильским физиком Мордехаем Милгромом как феноменологическое объяснение, в том числе для кривых вращения галактик низкой поверхностной яркости[12][25]. MOND стоит особняком от широко распространённых и практически общепринятых теорий тёмной материи, предполагающих наличие в каждой галактике ещё не определённого типа материи[25]. Милгром заметил, что ньютоновская сила гравитации подтверждена только для относительно больших ускорений, и предположил, что для малых ускорений Закон всемирного тяготения может не работать[25]. MOND устанавливает, что ускорение зависит нелинейно от создающей его массы для малых ускорений[25].

Однако данные гравитационного линзирования в скоплениях галактик «Пуля» и других крупномасштабных структурах сильно противоречат MOND[12][25]. Если MOND верна и тёмной материи не существует, то распределения масс должны совпадать, что сильно противоречит наблюдениям[25]. Хотя сторонники MOND утверждают, что могут объяснить эти расхождения, большинство астрономов считают эти данные фальсифицирующим MOND экспериментом[25]. Однако примечательно, что открытие третьей галактики без тёмной материи — NGC 1052-DF9 — стало серьезным ударом по альтернативной теории MOND[24]. Три галактики без тёмной материи, выстроенные в линию, — это уже не совпадение, а паттерн, и у него есть объяснение: теория столкновения «карликовых пуль»[24]. Парадоксальным образом именно галактики без тёмной материи стали одним из сильнейших аргументов в пользу её существования: если бы тёмная материя не была отдельной физической субстанцией, её невозможно было бы отделить от обычного вещества[24].

Критические Взгляды и Новые Гипотезы

Некоторые альтернативные теории предполагают, что скрытая масса, называемая тёмной материей, состоит из привычных нам частиц[2]. Речь идёт о так называемых MACHO — массивных компактных объектах гало[2]. Это могут быть объекты уже известной природы: нейтронные звёзды, белые и коричневые карлики, планеты — всё, что при размещении за пределами галактического диска будет излучать очень мало света, но при этом совокупно иметь немалую массу[2]. Однако наблюдения показывают, что количество таких объектов недостаточно для объяснения всей наблюдаемой тёмной материи[2]. Ещё более экзотическая гипотеза предлагает считать тёмную материю парами гравитон-антигравитонов, порождаемых квантовыми флуктуациями вакуума[4]. Согласно этой теории, поляризация галактическим гравитационным полем диполей гравитон-антигравитонов создаёт некоторый эффект дополнительной положительной гравитационной энергии, заставляющей звёзды и галактики вращаться быстрее[4]. Однако авторы этой теории отмечают, что нужно произвести множество исследований и измерений, прежде чем заключить, что тёмная материя — результат поляризации квантового вакуума[4].

Революционная теория, предложенная учёными из Дартмутского колледжа, утверждает, что тёмная материя образовалась из безмассовых частиц, которые в ранней Вселенной столкнулись, замедлились и стали тяжелыми — подобно пару, конденсирующемуся в воду[17]. Согласно этой теории, после Большого взрыва, 13,7 миллиарда лет назад, Вселенная была заполнена быстрыми, почти безмассовыми частицами, похожими на фотоны[17]. Эти частицы, двигаясь со скоростью света, начали «спариваться» из-за противоположных спинов, как магниты с разными полюсами[17]. При охлаждении Вселенной дисбаланс спинов вызвал резкое падение их энергии, превратив их в холодные, тяжелые частицы — тёмную материю[17]. Уникальность этой теории в том, что она предсказывает специфический след в реликтовом излучении, который могут обнаружить и доказать обсерватории, таких как Simons Observatory в Чили и CMB Stage 4 на Антарктиде[17].

Недавние Открытия и Будущие Перспективы

Наблюдение слияния галактических скоплений MACS J0018.5+1626 позволило учёным впервые в истории картировать скорости тёмной и барионной материй и доказать существование тёмной материи особенно убедительно[1]. Во время данной коллизии материи разделились и продолжили движение в противоположных направлениях[1]. Таким образом, учёные не только ещё раз доказали существование тёмной материи, но и получили в руки инструмент для её прямого исследования[1]. Благодаря своей большой скорости частицы тёмной материи проходят через поверхность звезды практически беспрепятственно, однако в центральной области звезды они сталкиваются с ядрами[3]. Если потеря энергии достаточно велика, то они не могут опять покинуть звезду и накапливаются в ней с течением времени[3].

Исследователи используют гравитационные ямы — области пространства, искривленные массивными объектами — чтобы проверить, как тёмная материя ведёт себя в реальных условиях[52]. Анализ показал, что тёмная материя падает в эти гравитационные колодцы точно так же, как обычная материя, подчиняясь уравнениям Эйлера[52]. На данном этапе выводы не исключают наличие неизвестной силы, но если такая пятая сила существует, она не может превышать семи процентов от силы тяжести[52]. Следующим шагом станет использование данных будущих экспериментов, таких как Legacy Survey of Space and Time (LSST) и новые измерения DESI, которые смогут зафиксировать влияние сил, составляющих всего два процента от силы тяжести[52].

Группа ученых из коллаборации Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) подтвердила согласованность стандартной космологической модели с теорией Эйнштейна[49]. Результаты исследования охватывают огромный период космической истории, и в рамках исследования ученые создали самую большую трёхмерную карту Вселенной на сегодняшний день, охватывающую почти 6 миллионов галактик за 11 миллиардов лет космического времени[49]. Эта карта позволила увидеть, как галактики группируются и как менялась их структура со временем[49]. Основной целью исследования было подтверждение точности модели LCDM (Lambda-Cold Dark Matter), которая описывает вселенную, состоящую из обычной материи, тёмной материи и тёмной энергии[49]. Исследование показало, что если бы тёмная энергия обладала свойствами, отличающимися от присущих пространству-времени, или если бы тёмная материя была следствием измененной гравитации, структура кластеров галактик выглядела бы иначе[49]. Данные сильно ограничивают возможные модифицированные модели гравитации, исключая большинство современных теорий, которые пытались обойти необходимость в тёмной материи и энергии[49].

Заключение

Тёмная материя остаётся одной из величайших нерешённых загадок в физике и космологии, несмотря на почти столетие исследований и наличие убедительных свидетельств её существования[1][1]. От первых теоретических предположений Яна Оорта и Фрица Цвикки в первой половине XX века до современных высокочувствительных детекторов и передовых телескопов, путь исследования тёмной материи демонстрирует прогресс научного подхода к решению фундаментальных проблем[1][1][23]. Наблюдения Веры Рубин и Кента Форда в 1970-х годах обеспечили неопровержимые доказательства существования тёмной материи через аномальные кривые вращения галактик, что привело к единогласному признанию её существования научным сообществом к 1980-м годам[1][27]. Современные исследования предлагают несколько конкурирующих теорий о природе тёмной материи, включая слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP), аксионы, первичные чёрные дыры и новые двухкомпонентные модели[2][6][7][29][37][38].

Глобальные усилия по поиску тёмной материи организованы через сетьведущих научных учреждений и экспериментов, расположенных в разных странах, включая XENON в Италии, LUX-ZEPLIN в США, PandaX-4T в Китае и SABRE South в Австралии[8][9][34][35][20]. Разнообразие методологических подходов — от прямого обнаружения через подземные детекторы до косвенного поиска через гравитационное линзирование и анализ космического микроволнового фона — свидетельствует о комплексности проблемы[8][1][14][47]. Недавние открытия, включая обнаружение галактик без тёмной материи, новых карт распределения тёмной материи с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба и предложение двухкомпонентных моделей тёмной материи, открывают новые перспективы для понимания её природы[11][24][37][38][54]. Будущие эксперименты, такие как LSST и улучшенные версии существующих детекторов, обещают повысить чувствительность в поиске этого неуловимого вещества и возможно приведут к прорывному открытию[21][49]. Решение загадки тёмной материи не только удовлетворит любопытство учёных, но и будет означать фундаментальный пересмотр нашего понимания физики и строения Вселенной, потенциально подтвердив или опровергнув такие теории, как суперсимметрия, и раскрыв новые, доселе неизвестные частицы и взаимодействия[8][49].

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Тёмная_материя
2. https://universemagazine.com/ru/chto-takoe-temnaya-materiya-i-iz-chego-ona-sostoit/
3. http://nuclphys.sinp.msu.ru/students/blmat/index.html
4. https://habr.com/ru/articles/748120/
5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Гало_тёмной_материи
6. https://ru.wikipedia.org/wiki/Вимп
7. https://habr.com/ru/companies/ru_mts/articles/924626/
8. https://trends.rbc.ru/trends/education/68468e769a79473c60948079
9. https://ru.wikipedia.org/wiki/XENON_(эксперимент)
10. https://postnauka.org/video/77948
11. https://naked-science.ru/article/astronomy/astronomy-temnaya-galax
12. https://ru.wikipedia.org/wiki/Кривая_вращения_галактики
13. https://innovanews.ru/info/news/space/temnaja-materija-ostyvshijj-kofe-vselennojj/
14. https://physics.itmo.ru/ru/news/nikto-ne-videl-no-vse-znayut-chto-takoe-temnaya-materiya-i-kak-ee-izuchayut
15. https://www.techinsider.ru/science/news-696173-v-cern-zapustili-eksperiment-po-poisku-chastic-temnoy-materii/
16. https://trends.rbc.ru/trends/innovation/630654199a79472ca9841689
17. https://naukatv.ru/news/temnaya_materiya_obrazovalas_iz_bezmassovykh_chastits_utverzhdayut_fiziki
18. https://наука.рф/journal/2024-god-v-nauke-glavnye-otkrytiya-kotorye-izmenyat-nashe-budushchee-/
19. https://indico.cern.ch/event/679649/contributions/3183250/attachments/1747413/2829755/Dark_Matter_Baushev.pdf
20. https://science.mail.ru/news/47061-poiski-temnoj-materii-v-avstralii/
21. https://habr.com/ru/news/805323/
22. https://ru.wikipedia.org/wiki/2024_год_в_науке
23. https://www.nkj.ru/archive/articles/31693/
24. https://hi-tech.mail.ru/news/145596-astronomy-nashli-tretyu-galaktiku-v-kotoroj-polnostyu-otsutstvuet-temnaya-materiya/
25. https://ru.wikipedia.org/wiki/Модифицированная_ньютоновская_динамика
26. https://www.darkside.ru/album/17287/
27. https://ru.wikipedia.org/wiki/Рубин,_Вера
28. https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/433124/Kak_ishchut_tyomnuyu_materiyu
29. https://ru.wikipedia.org/wiki/Первичная_чёрная_дыра
30. https://notariat.ru/sovety/statiy/nasledstvo/statya/nasledstvo-po-zakonu/
31. https://mediomodo.ru/articles/verarubin
32. https://naked-science.ru/article/astronomy/zakryt-temnuyu-materiyu-i
33. https://www.gosuslugi.ru/help/faq/inheritance/4945
34. https://lz.lbl.gov
35. https://pandax.sjtu.edu.cn
36. https://erofey-manager.livejournal.com/427773.html
37. https://www.atomic-energy.ru/news/2026/04/10/165155
38. https://hi-tech.mail.ru/news/145825-otsutstvie-signala-eto-tozhe-signal-uchenyie-raskryili-zagadku-temnoj-materii/
39. https://aleksclinic.ru/reviews/new/
40. https://ru.wikipedia.org/wiki/Априле,_Елена
41. https://ru.wikipedia.org/wiki/Тёмная_материя_(телесериал,_2024)
42. https://nplus1.ru/news/2015/11/13/xenon
43. https://msch4omsk.ru/pages/nashi-vrachi
44. https://xenon.astro.columbia.edu/people/elena-aprile/
45. https://kino.mail.ru/series_940157_temnaya_materiya/
46. https://www.gazeta.ru/science/news/2024/09/01/23824147.shtml
47. https://habr.com/ru/articles/858730/
48. https://naked-science.ru/article/astronomy/zagadochnyj-obekt-v-drevn
49. https://lenta.ru/news/2024/11/26/teoriyu-eynshteyna-soglasovali-s-modelyu-vselennoy/
50. https://hi-tech.mail.ru/news/135281-luchshie-gravitacionnye-linzy-dzhejmsa-uebba-foto/
51. https://science.mail.ru/news/8788-izuchena-rol-temnoj-materii-v-rasshirenii-galaktik/
52. https://naukatv.ru/news/temnaya_materiya_okazalas_podvlastna_gravitatsii_issledovanie
53. https://postnauka.org/longreads/88733
54. https://poisknews.ru/astronomiya/novye-dannye-temnaya-materiya-veroyatno-byla-pervonachalnym-arhitektorom-vselennoj/

---

*****

---