Все эти наблюдаемые явления реальны. У нас есть примеры того, что это происходит с множеством объектов, и чрезвычайно мало объектов, которые не демонстрируют несоответствия между нормальным веществом и эффектами гравитации. Нам немного повезло, поскольку есть только один ингредиент, который, если мы добавим его во Вселенную, может привести мироздание в порядок: темное вещество.
Если, помимо обычного вещества, вы добавите еще один ингредиент, а именно:
холодный, в том смысле, что он движется медленно по сравнению со скоростью света,
бесстолкновительный, в том смысле, что он не сталкивается и не обменивается импульсом ни с нормальным веществом, ни с излучением, ни с другими частицами темного вещества,
темный, в том смысле, что он невидим и прозрачен для излучения и нормального вещества,
является веществом в том смысле, что обладает массой и притягивает.
Все эти и многие другие явления внезапно совпадают с предсказаниями Эйнштейна о гравитации.
Есть немало ученых, которые думают иначе и развивают теории модификации гравитации. Эти теории объясняют некоторые из наблюдаемых явлений, происходящих в малых космических масштабах (несколько миллионов световых лет или меньше), так же хорошо или даже лучше, чем темное вещество. Но любая модификация, которую вы вносите, требует также включения чего-то, что неотличимо похоже на темное вещество. Это делает темное вещество чрезвычайно привлекательным кандидатом на нечто новое, существующее в нашей Вселенной.
Рисунок Вселенная
Детальный взгляд на Вселенную показывает, что она состоит из вещества, а не из антивещества, что требуется темное вещество и темная энергия, и что мы не знаем ответов ни на одну из этих загадок. Однако флуктуации реликтового излучения, формирование и корреляции между крупномасштабной структурой и современные наблюдения гравитационного линзирования - все указывает на одну и ту же картину.
Однако есть еще одно важное свидетельство, о котором мы не говорили: космический микроволновый фон. Если вы начнете моделировать Вселенную в самые ранние моменты после горячего Большого взрыва и добавите ингредиенты, которые, как мы ожидаем, там будут, вы обнаружите, что к тому времени, когда Вселенная расширится и охладится достаточно, чтобы мы могли сформировать нейтральные атомы, в оставшемся свечении Большого взрыва возникнет структура температурных флуктуаций, которая проявляется в зависимости от масштаба: тепловое излучение, которое к настоящему времени перешло из-за красного смещения в микроволновый диапазон. Само излучение было впервые обнаружено в середине 1960-х годов, но измерить неоднородности почти однородного фона - непростая задача, потому что самые горячие участки неба лишь примерно на 0,01% теплее самых холодных.
По-настоящему измерять эти изначальные космические неоднородности начали только в 1990-х годах с помощью спутника COBE, результаты которого были затем подтверждены на спутниках BOOMERanG, WMAP, Planck и других. Сегодня ученые измерили температуру всего микроволнового неба в девяти различных диапазонах длин волн с точностью до микрокельвина, вплоть до угловых масштабов до 0,05 градуса. По мере того, как спутники улучшаются в своих возможностях, они исследуют меньшие масштабы, большее количество частотных диапазонов и меньшую разницу температур в космическом микроволновом фоне. Температурные неоднородности помогают понять, из чего состоит Вселенная и как она развивалась, создавая картину, которая требует, чтобы темное вещество имело смысл.
Рисунок Шаблон
Шаблон колебаний, который вы видите на графике выше, чрезвычайно чувствителен к тому, что находится в вашей Вселенной. Например, если вы моделируете Вселенную только с нормальным веществом и излучением, то получите только около половины пиков и впадин, которые мы видим, причем пик будет наблюдаться в слишком маленьком угловом масштабе, и колебания температуры будут намного больше по величине. Для этого набора наблюдений требуется темное вещество. Но также требуется кое-что еще. Если вы возьмете всю обычную материю, излучение, нейтрино и т. д., которые, как мы знаем, находятся во Вселенной, то обнаружите, что все это составляет лишь около трети общего количества энергии, которое должно присутствовать. Должна быть другая, дополнительная форма энергии, и, в отличие от темного и обычного вещества, эта энергия не может группироваться. Какой бы ни была эта форма энергии - а она необходима, чтобы космический микроволновый фон соответствовал нашим наблюдениям - она ??должна существовать в дополнение к темному веществу.