Тёмную материю нельзя увидеть в телескоп как тусклое облако. Название обозначает неизвестный компонент, который почти не излучает и не поглощает свет, но проявляет гравитацию. Гипотезу поддерживает не один странный снимок, а несколько независимых классов наблюдений — от движения звёзд в галактиках до картины ранней Вселенной.
Где обнаруживается недостающая масса
Если оценить массу спиральной галактики только по звёздам и газу, внешние звёзды часто движутся быстрее, чем ожидалось. Дополнительное притяжение удобно описывается протяжённым гало невидимого вещества. В скоплениях галактик то же расхождение видно по скоростям участников и температуре горячего газа.
Гравитационное линзирование даёт другой способ: масса искривляет путь света фоновых галактик. Карта линзирования показывает распределение всей массы независимо от того, светится она или нет. В сталкивающихся скоплениях основная масса, найденная таким способом, может отделяться от горячего газа; это сильный аргумент в пользу компонента, который взаимодействует с обычным веществом слабее, чем газ взаимодействует сам с собой.
Зачем она нужна истории Вселенной
Неоднородности, записанные в реликтовом излучении, были очень малы. Тёмная материя не связана с фотонами так, как обычная плазма, поэтому её уплотнения могли раньше стать гравитационным каркасом. Обычный газ падал в эти потенциальные ямы, из него возникали звёзды и галактики. Компьютерные модели с холодной тёмной материей хорошо воспроизводят крупномасштабную сеть, хотя на масштабах небольших галактик остаются вопросы.
Что именно остаётся неизвестным
Слово «материя» не означает, что состав уже найден. Среди кандидатов — новые элементарные частицы, например аксионы или слабо взаимодействующие массивные частицы. Детекторы ищут редкие столкновения с атомами, ускорители — признаки рождения невидимых частиц, а телескопы — продукты возможного распада или аннигиляции. Убедительного прямого обнаружения конкретной частицы пока нет.
Есть и альтернативные модели, меняющие закон гравитации на больших или малых ускорениях. Они способны объяснять часть галактических закономерностей, но должны одновременно согласовать линзирование, скопления, реликтовое излучение и рост структуры. Поэтому задача шире подгонки одной кривой вращения.
Тёмная материя и тёмная энергия — разные проблемы
Тёмная материя притягивается и помогает собирать структуру. Тёмной энергией называют причину ускоренного космологического расширения; её природа тоже неизвестна, но наблюдаемый эффект иной. Наконец, чёрные дыры состоят из сколлапсировавшего вещества и наблюдаются по конкретным астрофизическим признакам: они не являются простым объяснением всей тёмной материи.
Форма и эволюция обычных галактик разобраны отдельно в статье «Что такое галактика».
Почему обычные тусклые объекты не закрывают вопрос
Планеты, холодный газ, слабые звёзды и чёрные дыры действительно трудно видеть, но астрономы ограничивают их количество по микролинзированию, химическому составу и другим данным. Обычное барионное вещество взаимодействовало со светом в ранней Вселенной и оставило иной след в реликтовом фоне. Его недостаточно, чтобы составить все требуемые гало.
Тёмная материя, вероятно, образует не гладкую оболочку идеальной формы, а иерархию сгустков. При этом малая галактика чувствительна к звёздным взрывам и движению газа, поэтому расхождение модели и наблюдения не всегда говорит о новой частице или сломанной гравитации. Нужно одновременно моделировать невидимый компонент и обычную астрофизику.