Темная материя: как ученые охотятся за тем, что не видят

Мы живем в мире иллюзий. Все, что мы видим вокруг — звезды, галактики, планеты, — составляет лишь 5% Вселенной. Остальные 95% — невидимая и неисследованная реальность. И большую часть этой скрытой массы составляет темная материя — основа мироздания, которую мы не можем увидеть, но без которой наш мир рассыпался бы в прах.

Эта неуловимая субстанция не испускает и не поглощает свет, из-за чего ее нельзя увидеть в телескоп. Ученые знают о ее присутствии лишь по гравитационному влиянию на видимые объекты: звезды в галактиках вращаются с такими скоростями, которые возможны только при наличии мощного невидимого гравитационного «каркаса». Без этой скрытой массы галактики бы перестали существовать в их современном виде.

Как открыли темную материю Фото: Wikipedia.org Трехмерная карта распределения темной материи, построенная с помощью метода слабого гравитационного линзирования в рамках проекта COSMOS

Открытие темной материи стало результатом цепочки догадок и наблюдений, растянувшихся на два столетия. В 1784 году английский священник и естествоиспытатель Джон Мичелл рассчитал, что для тела с радиусом в 500 солнечных тел вторая космическая скорость на его поверхности будет равна скорости света. В письме Королевскому обществу он сделал фундаментальное предположение: «Свет не сможет покинуть это тело, и оно будет невидимым». Так Мичелл предсказал существование невидимых звезд (сегодня мы называем их черными дырами) и первым научно обосновал возможность существования материи, невидимой за счет гравитации.

Первый практический сигнал появился в 1933 году, когда американский астрофизик швейцарского происхождения Фриц Цвикки, изучая скопление галактик в Волосах Вероники, обнаружил несоответствие: масса, измеренная по движению галактик, оказалась в сотни раз больше видимой. Правда, его вывод о существовании «dunkle Materie» — темной материи — показался современникам слишком фантастичным.

Окончательные доказательства пришли в 1970-х годах с работами американских астрономов Веры Рубин и Кента Форда. Изучая галактику Андромеды, они обнаружили парадокс: в отличие от планет Солнечной системы, где скорости монотонно убывают с удалением от звезды, в галактиках скорости вращения звезд возрастают с удалением от центра. Расчеты показали, что видимого вещества катастрофически мало для удержания галактик — они должны были бы разлететься. Это привело к выводу: каждая галактика погружена в обширное облако темной материи, создающей необходимое гравитационное притяжение.

Так наука пришла к пониманию: видимая Вселенная — лишь верхушка айсберга, а основу мироздания составляет невидимая темная материя.

Что представляет собой темная материя Фото: Wikipedia.org Большинство экспериментов ищут гипотетические частицы темной материи, которые могут быть меньше атома

От простого подтверждения существования темной материи наука перешла к изучению ее природы, пытаясь ответить на вопрос: может ли темная материя быть чем-то большим, чем просто «невидимая масса»?

Исследование гигантского скопления галактик Эль-Гордо принесло сенсационный результат: распределение масс внутри него указало на возможность «самовзаимодействия» темной материи. Ее частицы не просто притягиваются гравитационно, но и могут сталкиваться друг с другом. Если это подтвердится, то будет означать, что у темной материи есть свои законы физики, совершенно отличные от тех, что управляют видимым миром.

Параллельно развивается и другая захватывающая гипотеза. Большинство экспериментов ищут гипотетические частицы темной материи, которые могут быть меньше атома. Но что, если она существует в виде более крупных объектов? Для поиска таких структур предлагается использовать спутник Юпитера Ганимед. Его древняя ледяная поверхность может хранить уникальные следы — кратеры, оставленные не обычными астероидами, а столкновениями с массивными сгустками темной материи.

Эти два подхода демонстрируют, насколько разнообразными могут быть проявления той самой невидимой материи, что составляет основу нашей Вселенной.

Можно ли увидеть темную материю Фото: Wikipedia.org Согласно общей теории относительности Эйнштейна, любая масса искривляет вокруг себя пространство-время. Когда свет от далекой галактики проходит через скопление, заполненное темной материей, его изображение искажается — вытягивается в дуги и кольца

Сегодня самый наглядный метод «увидеть» темную материю — наблюдать за гравитационным линзированием. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, любая масса искривляет вокруг себя пространство-время. Когда свет от далекой галактики проходит через скопление, заполненное темной материей, его изображение искажается — вытягивается в дуги и кольца.

Ключевой вывод заключается в следующем: количество вещества, необходимое для создания наблюдаемого искривления света, в десятки раз превышает массу всех видимых звезд и газа в скоплении. Анализируя эти искажения, астрофизики с высочайшей точностью картографируют распределение невидимой массы, которая и является темной материей.

Как современные ученые изучают темную материю Фото: Wikipedia.org Скопление Пуля (комбинированный снимок телескопов «Хаббл» + «Чандра»). Полное распределение массы, полученное с помощью слабого гравитационного линзирования, показано синим, а рентгеновское излучение горячего газа — розовым

В настоящий момент наука ведет охоту за темной материей одновременно на нескольких фронтах, используя принципиально разные подходы. В подземной шахте в Южной Дакоте на глубине более 1,5 км ученые разместили сверхчувствительные детекторы. Эксперимент LUX-ZEPLIN с семью тоннами жидкого ксенона показал: если частицы темной материи и существуют, то взаимодействуют с веществом крайне редко — не чаще раза в 4000 лет. Эти данные, собранные в течение 280 дней наблюдений, были обнародованы летом 2025 года.

Параллельно проект QROCODILE под руководством Цюрихского и Еврейского университетов в Иерусалиме установил мировой рекорд чувствительности для обнаружения сверхлегких частиц. Его детекторы способны фиксировать энерговыделения до 0,11 электрон-вольт. Эта рекордная чувствительность открывает совершенно новые возможности обнаружения крайне легких частиц темной материи.

Еще один путь — создание частиц темной материи в лабораторных условиях. На Большом адронном коллайдере протоны сталкивают с такой силой, что выделяющаяся энергия может порождать новые частицы. Ученые отслеживают дисбаланс энергии и импульса после столкновений — если невидимые частицы темной материи действительно рождаются, они уносят с собой часть энергии, и именно этот «дефицит» становится главной уликой. Такой подход позволяет искать темную материю в экстремальных условиях, недостижимых в других экспериментах.

Охота за темной материей — это величайшее научное приключение человечества, попытка разгадать главную загадку мироздания. Мы прошли путь от первых догадок до экспериментов, но по-прежнему стоим перед фундаментальным вопросом: что составляет 95% нашей Вселенной? 

Почему в космосе темно

Как образовалась Вселенная: 6 теорий, которые это объясняют

Самые большие галактики во Вселенной: топ-8