Тёмная материя и тёмная энергия — разные понятия, введённые для описания двух независимых наборов наблюдений. Тёмная материя ведёт себя как дополнительная гравитирующая масса и помогает формировать галактики. Тёмной энергией называют компонент, связанный с ускоренным расширением Вселенной. Их физическая природа пока неизвестна.
Почему понадобилась тёмная материя
Звёзды и газ в галактиках движутся так, будто масса простирается далеко за видимый диск. В скоплениях галактик скорости объектов, горячий рентгеновский газ и гравитационное линзирование также требуют больше тяготеющего вещества, чем видно в звёздах и газе.
Особенно наглядно линзирование: масса искривляет путь света далёких галактик, и по искажению можно восстановить её распределение. В сталкивающихся скоплениях карта основной массы способна отделяться от горячего обычного газа. Это трудно объяснить одной ошибкой в подсчёте тусклых звёзд.
Что о ней известно
Тёмная материя почти не поглощает и не излучает свет, но участвует в гравитационном взаимодействии. Космологические данные указывают, что её существенно больше, чем обычного атомного вещества. Модели с холодной тёмной материей хорошо воспроизводят рост крупномасштабной структуры из ранних неоднородностей.
Конкретная частица пока не обнаружена. Эксперименты ищут слабые столкновения гипотетических частиц с атомными ядрами, продукты их рождения на ускорителях и сигналы аннигиляции в космосе. Отрицательный результат исключает часть параметров модели, но не всю идею скрытой массы.
Откуда взялась тёмная энергия
В конце 1990-х наблюдения далёких сверхновых типа Ia показали, что расширение космоса ускоряется. К этому выводу добавились измерения реликтового излучения, распределения галактик и барионных акустических осцилляций. Название «тёмная энергия» обозначает причину ускорения, а не обнаруженную жидкость или излучение.
Простейшее описание — космологическая постоянная в уравнениях общей теории относительности. Ей соответствует почти неизменная плотность энергии пустого пространства. Возможны динамические поля или изменение закона гравитации на больших масштабах, но данные должны отличить такие модели от постоянной.
Почему проценты зависят от модели
В стандартной космологической модели на обычное вещество приходится около пяти процентов плотности энергии, на тёмную материю — примерно четверть, на тёмную энергию — около двух третей. Эти доли получают совместной подгонкой модели к нескольким наблюдениям; это не прямое взвешивание содержимого в лаборатории.
При этом тёмная энергия не удерживает галактики, а тёмная материя не является причиной нынешнего ускорения. На масштабе Солнечной системы и отдельных звёзд их эффекты не заменяют обычную гравитацию и известное вещество.
Какие вопросы открыты
Неизвестно, состоит ли тёмная материя из одной частицы, нескольких компонентов или указывает на неполноту теории гравитации. Для тёмной энергии нужно выяснить, постоянна ли её плотность и совпадает ли наблюдаемое значение с вакуумной энергией квантовых полей.
NASA суммирует независимые свидетельства тёмной материи. Разделять измеренное гравитационное действие и гипотезы о микрофизике важно: первое подтверждено множеством наблюдений, второе остаётся активной областью поиска.