Как астрономы находят тёмную материю, если её нельзя увидеть

Большая часть вещества во Вселенной не светится, не отражает свет и не образует знакомых нам звёзд, планет или облаков газа. Тёмную материю нельзя сфотографировать напрямую, однако астрономы умеют определять, где она находится и сколько её должно быть. Для этого они наблюдают не саму невидимую субстанцию, а то, как её гравитация меняет движение звёзд, форму галактик и даже путь света через космос.

Одним из ключевых аргументов в пользу тёмной материи стали измерения скорости звёзд в спиральных галактиках. Если учитывать только видимые звёзды и газ, то на больших расстояниях от центра скорость вращения должна заметно падать: там сосредоточено меньше светящегося вещества, а значит, слабее и удерживающая его гравитация. Наблюдения показали другое — внешние области многих галактик вращаются значительно быстрее, чем ожидалось по видимой массе.

Особенно важную роль в 1970-х сыграли работы Веры Рубин и её коллег. Получавшиеся «кривые вращения» оставались почти плоскими далеко за пределами яркой центральной части галактик. Это хорошо объясняется тем, что галактика погружена в протяжённое невидимое гало. По результатам миссии Planck обычное вещество составляет около 4,9% общей плотности массы и энергии Вселенной, а тёмная материя — около 26,8%, то есть примерно 85% всей материи.

Такие измерения показывают, что видимой массы не хватает, но сами по себе ещё не рисуют карту невидимого вещества. Для этого астрономам помогает свет объектов, расположенных далеко позади массивных галактик и скоплений. Именно его искажения позволяют превратить гравитацию в своеобразный детектор невидимой массы.

Согласно общей теории относительности, масса искривляет пространство-время, поэтому проходящий рядом свет меняет направление. Если между Землёй и далёкой галактикой находится массивное скопление, оно действует как гигантская гравитационная линза. Линзой при этом служит вся масса скопления — звёзды, горячий газ и тёмная материя, — а не только невидимый компонент.

При удачном взаимном расположении объектов эффект становится заметен непосредственно на снимке. Одна фоновая галактика может вытянуться в длинную дугу, появиться в нескольких местах или превратиться почти в замкнутое «кольцо Эйнштейна». По форме и положению таких изображений можно решать обратную задачу: вычислять, какая масса должна находиться впереди.

Хороший пример — скопление Abell 1689. В его поле Hubble обнаружил множество дуг от более далёких галактик; при построении одной из карт исследователи использовали 135 линзированных изображений 42 фоновых галактик. Расчёты показали, что одной видимой материи недостаточно, чтобы создать наблюдаемое искажение, а основная масса сосредоточена в невидимом компоненте вокруг скопления.

Сильное линзирование эффектно выглядит на фотографиях, но встречается лишь при подходящей геометрии. Гораздо чаще гравитация изменяет форму фоновой галактики совсем немного. Отдельно такое растяжение практически невозможно отличить от её естественной формы: галактики и без линзы бывают круглыми, вытянутыми и неправильными.

Выход даёт статистика. Если измерить ориентацию и форму десятков тысяч фоновых галактик, случайные различия усредняются, а слабое согласованное искажение остаётся. Так работает слабое гравитационное линзирование. По нему строят карты распределения массы на масштабах скоплений и космической паутины. Для сверхскопления Abell 901/902 распределение невидимой массы восстанавливали по искажениям света более 60 тысяч фоновых галактик.

Такая карта не является фотографией тёмной материи. Цветные пятна, которые часто накладывают на снимки скоплений, — результат математической реконструкции. Сначала измеряют формы фоновых объектов, затем рассчитывают поле линзирования и уже из него получают распределение общей массы. Сопоставление этой карты со звёздами и горячим газом показывает, где должен находиться невидимый компонент.

Особенно наглядным объектом оказался Bullet Cluster — система, возникшая при столкновении двух скоплений галактик. Большая часть обычного вещества в таких скоплениях находится не в звёздах, а в очень горячем разреженном газе. При столкновении газ двух скоплений взаимодействует, тормозится и нагревается, поэтому его положение хорошо видно в рентгеновском диапазоне.

Галактики проходят друг сквозь друга гораздо легче, потому что расстояния между ними огромны. Карта массы, построенная по гравитационному линзированию, показала, что основные центры массы оказались смещены относительно затормозившегося газа. То есть место, где сосредоточена большая часть обычного вещества, не совпало с местом, где находится большая часть гравитирующей массы. Это считается одним из наиболее наглядных наблюдательных аргументов в пользу отдельного, слабо взаимодействующего компонента — тёмной материи.

Такие столкновения позволяют изучать и возможные свойства тёмной материи. Если её частицы заметно сталкивались бы друг с другом, распределение невидимой массы после встречи скоплений выглядело бы иначе. Поэтому подобные системы помогают ограничивать силу возможного взаимодействия частиц тёмной материи между собой.

Ещё один независимый источник информации — реликтовое микроволновое излучение, свет, освободившийся примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва. В нём сохранился рисунок очень небольших неоднородностей плотности, из которых позднее выросли галактики и скопления. Эти неоднородности позволяют исследовать состав Вселенной задолго до появления первых крупных галактик.

Соотношение характерных пиков в этих неоднородностях зависит от количества обычного вещества, тёмной материи и других космологических параметров. Данные Planck хорошо описываются моделью, в которой тёмной материи во много раз больше, чем обычного вещества. Кроме того, реликтовый свет за миллиарды лет слегка искривляется крупномасштабными структурами на пути к Земле. Planck восстановил карту этого линзирования, получив ещё один способ проследить распределение массы.

Признаки невидимой массы возникают в совершенно разных наблюдениях: в динамике галактик, гравитационных линзах, столкновениях скоплений и рисунке реликтового излучения. Совпадение независимых методов и делает гипотезу тёмной материи настолько устойчивой, хотя природа её частиц всё ещё неизвестна. Каждый метод измеряет немного разные проявления одной и той же дополнительной гравитирующей массы.

Современные обзоры переходят от карт отдельных скоплений к картированию огромной части наблюдаемой Вселенной. Космический телескоп Euclid Европейского космического агентства создан для очень точного измерения форм далёких галактик и их расстояний. Его задача — наблюдать миллиарды галактик на протяжении примерно 10 миллиардов лет космической истории и по слабому линзированию восстановить трёхмерное распределение тёмной материи.

Первые крупные наборы данных уже показывают масштаб работы. В марте 2025 года Euclid опубликовал обзорные данные примерно с 26 миллионами обнаруженных источников и каталогом около 500 кандидатов в сильные гравитационные линзы, почти все из которых ранее не были известны. В 2026 году