Зачем ученые придумали тёмную материю?

======= НАЧАЛО ОТВЕТА ТУТ =======

При расширении температура Вселенной падает как (1+z), а масштаб растёт обратно пропорционально (1+z). С ~3000 К (когда барионы отделились от фотонного фона) температура в настоящую эпоху упала примерно до 2.7 К, значит и масштабы должны были измениться в тысячу раз.

Поэтому, чтобы сегодня получить нелинейный контраст флуктуаций плотности -- нужно, чтобы на поверхности последнего рассеяния контраст был не меньше 10⁻³.

Стали измерять. С момента открытия реликтового излучения в 1965 лишь когда запустили в космос аппарат COBE в 90-е годы, наконец, измерили флуктуации температуры реликтового фона по небу на уровне контраста 10⁻⁵. Если бы у нас было такое равномерное распределение температуры по небу, а теперь распределение гравитирующей материи во Вселенной существенно не однородно, не равномерно и контрасты очень велики -- то для того, чтобы вырастить такие контрасты нам и нужна тёмная материя. Далее запустили аппараты WMAP и Planck, чтобы построить пространственный спектр мощности флуктуаций температуры реликтового фона.

Планк представил карту температурных анизотропий микроволнового фонового излучения. В современную эпоху анизотропия температуры реликтовых фотонов составляет ~10⁻⁵.

Окей, самое интересное -- рассмотрим угловой спектр мощности анизотропии температуры микроволнового фона.

Это разложение карты реликтового излучения по мультипольным моментам, или, что то же самое, по угловым гармоникам (спектр мощности).

Причиной этих пиков являются акустические колебания, возникшие в барион-фотонной плазме до отсоединения фотонов от барионов в эпоху рекомбинации. Доступно об этих сахаровских осцилляциях для широкой публики рассказал пулковский астроном Кирилл Масленников в видео. Точность экспериментов WMAP и Planck оказалась фантастической. На графике вписанная в спектр зелёная линия -- это модель ΛCDM. Осциллирующая кривая изобилует таящейся в ней информацией о ранней Вселенной. Положение пиков крайне чувствительно к кривизне нашего трёхмерного пространства, высота главного пика зависит от вклада барионов в состав Вселенной, соотношения между вторым и третьим пиками зависимы от вклада тёмной материи и т.д.

Моделирование зависит от шести свободных параметров — вычисляется как развивались неоднородности тёмной материи в расширяющейся Вселенной, как колебались волны барионной материи и как они взаимодействовали через гравитацию с тёмной материей, как проходила рекомбинация вещества, как излучались фотоны реликтового излучения и как они взаимодействовали по пути. И многое другое. И подбирается такая шестёрка параметров (наклон спектра; амплитуда неоднородностей; концентрация барионного вещества; концентрация тёмной материи; кривизна Вселенной; когда происходит вторичная ионизация; остальные параметры вроде тёмной энергии -- зависимые), которая наилучшим образом опишет данные. Отсюда мы и знаем всем известные соотношения, например, плотности барионного вещества ~5% от критической плотности, плотность тёмной материи, возраст Вселенной и т.д. С точностью лучше процента. Отсюда и известно, что тёмной материи примерно в ~6 раз больше барионной.

И это спасло всех нас с вами, ведь собственной гравитации барионного вещества (на долю которого приходится ~5% критической плотности Вселенной) оказывается явно недостаточной для того, чтобы объяснить, как за такое короткое время ничтожно малые первоначальные флуктуации плотности в расширяющемся веществе успели вырасти и сформировать наблюдаемые ныне галактики и их системы. После рекомбинации флуктуации барионной плотности могут вырасти только в 1000 раз, а флуктуации реликтового фона ~10⁻⁵.

Барионам не хватило бы времени, чтобы с z ~ 1300 до z = 0 вырастить свои флуктуации более, чем 10⁵ раз, а тёмная материя успевает, поскольку начала флуктуировать до момента рекомбинации, будучи электрически нейтральной по своей природе.

Холодная тёмная материя бесстолновительна, у неё нет давления, есть только гравитация, и вот под действием гравитационной неустойчивости эти случайные флуктуации плотности начинают расти, уплотняться, сливаться друг с другом в более крупные сгустки тёмной материи, и весь этот процесс продолжается до наших дней. Так образуются тёмные гало галактик, сами галактики, скопления галактик, так формируется вся крупномасштабная структура Вселенной. Самым интересующимся, хардкорным и подкованным смельчакам я настоятельно рекомендую книжку Ольги Касьяновны Сильченко "Происхождение и эволюция галактик" к изучению! Это очень серьёзный учёный, она адепт в теме эволюции галактик. Большая удача, что есть такая книжка на русском языке. Надо читать. Потому что всё, что я сейчас написал -- это очень просто, а на самом деле всё гораздо сложнее. И проблематичнее.

Важно заметить, что совершенно необязательно отождествлять скрытую массу и тёмную материю. Скрытая масса может быть барионной. Мы лишь недавно вроде бы все требуемые барионы от космологов обнаружили в наблюдениях (до этого половины барионов мы попросту недосчитывались, ок?). По крайней мере, дали неплохую оценку. Интересно, что натурально видим мы лишь 10-20% барионной массы в виде звёзд и прочих интересных объектов, что показывает, что их создание (как и нас с вами) -- не такой уж эффективный процесс с точки зрения физики. А тёмная материя -- это космологическое понятие. Это то, что нужно для наращивания флуктуаций плотности, которые потом могут превратиться в галактики.

Может ли оказаться, что ΛCDM-модель неверна? Разумеется. Я неспроста выше писал про неполноту науки и постоянное уточнение законов физики. Но у большинства специалистов складывается мнение, что мы движемся в верном направлении. Есть проблемы, есть несостыковки. Либо как с теорией Ньютона нам предстоит отыскать Нептун, то есть, эти самые пресловутые частицы тёмной материи, предсказанные космологами. Либо, если все наши представления неверны, то требуется новая физика (перелом парадигм время от времени происходит, как показывает история науки), как было с орбитой Меркурия и Общей теорией относительности (которая не квантуется, что представляет очередную проблему). НО! Любые альтернативы должны полно описывать все имеющиеся наблюдения и претендовать на точность выше той, которую обеспечивает современная космологическая модель (а она фантастическая, порядка процента).

Наука многого не знает, мы в лучшем случае симулируем карикатуры Вселенной. Но даже с этим незнанием мы далеко продвинулись и в понимании и в технологиях. Непонимание серьёзной физики большинством людей (тёмных материй, квантовой механики, ОТО и т.д.) не останавливает прогресс. Компьютер основан на работе логических вентилей, имеющих входы и выходы. Эти логические элементы основаны на работе транзисторов, а работа этих транзисторов основана на законах квантовой механики. Спутники навигации используют уравнения ОТО, на их высотах кривизна пространства-времени меньше, чем на земной поверхности (из-за массы Земли), уже необходим учёт эффектов изменения течения времени. Если для GPS-спутников прекратить учёт -- ошибка в координатах наших навигаторов проявится уже через 2 минуты и будет копиться дальше (по ~10 км/день). Физика повсюду вокруг нас, даже когда мы её не замечаем. Wi-fi был создан в лаборатории радиоастрономии. Лазеры прочно вошли в обиход, во всех отраслях науки, например, фокусированными лазерными пучками (оптическим пинцетом) измерили силу, необходимой для разрыва двойной спирали ДНК. В медицине какие прорывы благодаря физике! Про влияние изучения всяких гравитационных волн и чёрных дыр на развитие технологий я подробнее писал тут. Мы даже с непониманием достаточно далеко зашли и сделали окружающий мир комфортнее.

Относитесь к науке серьёзнее. Почему-то никто не тешит себя иллюзией за месяц стать олимпийским штангистом или профессиональным хирургом. Отчего же присуща наивность понять устройство Вселенной, не решив ничего тяжелее дискриминанта? Вселенная очень сложно устроена. Либо слушайте упрощённые пересказы, либо глубоко изучайте физику и разбирайтесь самостоятельно. Капризные эмоциональные хотелки "нравится / не нравится" инфантильны и неуместны. Чтобы разговор был предметным -- изучите вопрос и предложите что-то более полное и всеобъемлющее, чем то, чем сейчас оперирует наука. Пустая критика -- роскошь для пассивных и бесполезных созерцателей. Любой учёный сможет сформулировать гораздо более полный список интересных и острых вопросов. Потому и функционирует наука. Мы много чего не знаем и не понимаем, но пытаемся разобраться. Ведь не стыдно чего-то не знать. Стыдно не пытаться.