Ярлык «темная материя» заключает в себе наше незнание природы большей части материи во Вселенной. Он вносит вклад в космический бюджет массы в пять раз больше, чем обычная материя. Но мы этого не видим. Мы предполагаем его существование только косвенно, из-за его гравитационного воздействия на видимую материю.

Стандартная модель космологии успешно объясняет гравитационный рост современных галактик и их кластеры обусловлено примордиальными колебания в океане невидимых частиц с первоначально малыми случайными движениями. Но эта «холодная темная материя» на самом деле может быть смесью разных частиц. Она может состоять из слабовзаимодействующих массивных частиц; гипотетических частиц, подобных аксионам; или даже темных атомов, которые не взаимодействуют с обычной материей или светом. Мы еще не обнаружили ни одной из этих невидимых частиц, но измерили отпечаток флуктуаций в их изначальном пространственном распределении в виде небольших изменений яркости звездного неба, космический микроволновый фон, реликтовое излучение, оставшееся после большого горячего взрыва.

Многие эксперименты ищут признаки различных типов темной материи как на небе, так и в лабораторных экспериментах, включая Большой адронный коллайдер. Этот поиск пока не увенчался успехом. В дополнение к определенным типам элементарных частиц, первичные черные дыры были в основном исключены как доминирующий компонент темной материи с ограниченным открытым окном в диапазоне масс астероидов, ожидающих своего устранения.

В статье 2005 года я показал вместе с Матиасом Залдарриагой, что частицы холодной темной материи могут гравитационно группироваться в масштабах вплоть до массы Земли. Доказательств существования таких крошечных сгустков темной материи пока не найдено; Наблюдатели изучали только гораздо более крупные системы, а именно галактики, подобные нашему Млечному Пути, содержащие газ и звезды в качестве внутреннего ядра, окруженного ореолом темной материи.

Как показала новаторская работа Веры Рубин, динамика газа и звезд в галактиках действительно подразумевает существование невидимой массы в гало, которое простирается далеко за пределы внутренней области, где концентрируется обычная материя. Удивительно, но потребность в темной материи в галактиках, подобных Млечному Пути, проявляется только во внешней области, где ускорение падает ниже универсального значения, которое примерно равно скорости света, деленной на возраст Вселенной. Это неожиданный факт в рамках стандартной интерпретации темной материи. Фундаментальный характер универсального порога ускорения повышает вероятность того, что, возможно, мы не упускаем из виду невидимую материю, а скорее наблюдаем изменение влияния гравитации на динамику видимой материи при малых ускорениях.

Эта идея была изобретена Моти Мильгромом, который в 1983 году предложил феноменологическую теорию «модифицированной ньютоновской динамики» (MOND) для объяснения проблемы темной материи. Примечательно, что его простой рецепт модифицированной динамики при низких ускорениях очень хорошо объясняет почти плоские кривые вращения во многих гало галактиках даже после четырех десятилетий тщательного изучения. Как и ожидалось в MOND, все существующие данные о галактиках размером с Млечный Путь показывают тесную корреляцию между круговой скоростью на окраинах галактик и общим количеством обычной материи (также называемой барионной материей), проявляя так называемую «зависимость Талли-Фишера». В статье 1995 года было показано, что теснота этой связи не может быть тривиально объяснена в стандартной интерпретации темной материи. Даже если темная материя существует, MOND поднимает фундаментальный вопрос: почему частицы темной материи вносят фундаментальный масштаб ускорения в динамику галактик? Это важный намек на их природу?

MOND сталкивается с проблемами масштабов больше галактик. Более массивные системы, такие как скопления галактик, где Фриц Цвикки впервые постулировал существование темной материи и придумал ее название, демонстрируют свидетельства отсутствия массы, даже несмотря на то, что их ускорение обычно выше порогового значения в MOND. Более того, акустические колебания, обнаруженные с высокой точностью в флуктуациях яркости космического микроволнового фона, предполагают присутствие доминирующего компонента материи, которая течет свободно, в дополнение к обычной материи и радиационным флюидам, которые тесно связаны электромагнитными взаимодействиями.

А как насчет мельчайших частиц? Исследователи не так давно изучили последние данные, полученные в результате обзора сверхмалых карликовых галактик Gaia, которые являются спутниками Млечного Пути. Они показали, что их поведение не соответствует ожиданиям MOND. Карликовые галактики, как и скопления галактик, выступают против универсальности MOND во всех масштабах.

Предлагает ли успех MOND в масштабах Млечного Пути и его неудачи как в меньших, так и в больших масштабах новое понимание природы темной материи? Одна из возможностей состоит в том, что темная материя сильно самовзаимодействует и избегает галактических ядер.

Другая идея, предложенная учеными предполагает неожиданное избыточное охлаждение атомов водорода во время космического рассвета. Она заключается в том что если некоторые частицы темной материи обладают небольшим электрическим зарядом, они могут разлетаться от обычной материи и охлаждать атомы водорода ниже ожидаемого, как сообщалось.

Чтобы понять природу темной материи, нужны более точные ключи. Ученые надеются, что ближайшие десятилетия разрешат эту космическую загадку, и все части головоломки встанут на свои места.