Она управляет движением звёзд и галактик, но при этом остаётся невидимой. Тёмная материя до сих пор остаётся одной из самых больших тайн науки. Новое исследование показало, насколько поразительно велик может быть её возраст.
В царстве тьмы
Современную Вселенную удерживает под контролем некая загадочная субстанция. Недавние работы учёных позволяют предположить, что она появилась ещё до нашего космоса в том виде, в каком мы его знаем. И даже если когда-то она исчезнет, то это случится не раньше чем через триллион триллионов лет — а может быть, не случится никогда.
Мы называем её тёмной материей.
Учёные до сих пор не понимают, что именно это такое, но доказательства её существования накоплены огромные. Истоки этих доказательств уходят в 1930-е годы. Тогда астроном Фриц Цвикки заметил, что галактики внутри скоплений движутся слишком быстро по сравнению с тем количеством материи, которое можно было увидеть. Позже, в 1970-е годы, Вера Рубин показала, что отдельные галактики вращаются слишком стремительно. По всем расчётам они должны были разлететься ещё миллиарды лет назад, как потерявшая управление карусель.
С тех пор данные лишь подтверждали неизбежный вывод: большая часть материи во Вселенной, примерно 80 %, абсолютно невидима. Что бы собой ни представляла тёмная материя, она оказывает колоссальное гравитационное влияние. Именно она управляет формированием галактик и в целом эволюцией Вселенной. Однако природа этой загадочной частицы, заполняющей каждое её пространство, остаётся неясной. Неизвестны и её истоки.
Старше Большого взрыва?
Некоторые смелые гипотезы предполагают, что тёмная материя могла появиться ещё до Большого взрыва. Согласно современным космологическим теориям, то, что мы обычно называем Большим взрывом — горячим выбросом материи, наполнившим космос, — было лишь заключительным этапом ещё более грандиозного события. Это событие известно как инфляция.
В первые мгновения, когда Вселенной было меньше доли секунды, загадочные квантовые силы резко ускорили её расширение. Космос увеличивался быстрее скорости света и достиг огромных масштабов. Затем эти квантовые силы исчезли, превратившись в поток частиц и излучения, который заполнил пустое пространство. Спустя сотни миллионов лет эти частицы собрались в первые звёзды и галактики.
Возникает вопрос: появилась ли тёмная материя одновременно со всем остальным или действовал какой-то иной механизм?
В 2019 году Томми Тенканен из Университета Джонса Хопкинса предложил идею, что квантовые силы, породившие эпоху инфляции, могли также создать и частицы тёмной материи. Это означает, что вся тёмная материя возникла тогда, когда возраст космоса был меньше триллионной доли триллионной доли триллионной секунды. Причём произошло это ещё до появления обычных частиц и излучения.
Позже, в 2024 году, Кэтрин Фризе из Техасского университета в Остине с коллегами разработала более подробную теоретическую модель. Её назвали WIFI — Warm Inflation during Freeze-In («Тёплая инфляция во время замораживания»). В этой версии тёмная материя возникла на начальной стадии инфляции, когда квантовые силы начали сталкиваться между собой. Важно, что исследователям удалось показать: даже несмотря на стремительное расширение, количество тёмной материи не уменьшилось. Частицы не растворились в пространстве, а сохранились и продолжили существовать в дальнейшие эпохи.
Бессмертие тёмной материи
Если тёмная материя появилась раньше обычной, можно ли сказать, что она будет существовать вечно? Всё зависит от того, из чего она состоит. В некоторых моделях её частицы настолько фундаментальны, что просто не могут распасться ни на что другое, даже за невероятно долгие промежутки времени. По сути, такая тёмная материя бессмертна.
Однако есть и другие варианты. Согласно им, тёмная материя иногда может взаимодействовать сама с собой или с обычной материей и излучением. В этом случае она исчезает, выделяя энергию. Тогда мы должны были бы замечать слабое «свечение» распадающейся тёмной материи, исходящее от далёких галактик. Оно должно проявляться в виде очень слабого излучения с определённой длиной волны, которая выделялась бы среди общего света.
Чтобы проверить эту идею, Вэнь Инь из Токийского столичного университета вместе с коллегами внимательно исследовал ближайшие карликовые галактики. Они намного меньше Млечного Пути и, по мнению учёных, особенно богаты тёмной материей. Исследователи предположили: если тёмная материя действительно распадается, то её «свечение» должно быть заметно в свете этих галактик. Свои результаты они описали в феврале 2025 года в журнале Physical Review Letters.
Но никакого особого свечения обнаружено не было. Это позволило поставить верхний предел на то, насколько активно тёмная материя может взаимодействовать. Согласно этим расчётам, её минимальная продолжительность жизни должна составлять не меньше 1017 лет. Это примерно в десять миллионов раз дольше нынешнего возраста Вселенной.
Итак, что мы знаем?
Всё это говорит о том, что тёмная материя могла появиться ещё до того, как возникла наша Вселенная в её привычном виде. Более того, она может сохраниться и тогда, когда пройдут триллионы лет, последние звёзды угаснут, галактики разрушатся, а привычная Вселенная перестанет существовать. И всё же сама тёмная материя останется.
Остаётся надеяться, что человечество раскроет её тайну задолго до того момента.
