Что такое темная материя и темная энергия Вселенной: структура пространства с фото, объем в процентах, влияние на объекты, исследование, расширение Вселенной.
Около 80% пространства представлено материалом, который скрыт от прямого наблюдения. Речь идет о темной материи – вещество, которое не производит энергию и свет. Как же исследователи поняли, что оно доминирует?
В 1950-х годах ученые начали активно заниматься изучением других галактик. В ходе анализов заметили, что Вселенная наполнена большим количеством материала, чем удается уловить на «видимый глаз». Сторонники темной материи появлялись каждый день. Хотя прямых доказательств ее наличия не было, но теории росли, как и обходные пути наблюдения.
Видимый нами материал называют барионной материей. Она представлена протонами, нейтронами и электронами. Полагают, что темная материя способна совмещать в себе барионную и небарионную материю. Чтобы Вселенная оставалась в привычной целостности, темная материя обязана находиться в количестве 80%.
Неуловимое вещество может быть невероятно сложным для поисков, если вмещает барионное вещество. Среди претендентов называют коричневых и белых карликов, а также нейтронные звезды. Разницу могут прибавлять и сверхмассивные черные дыры. Но они должны были вносить больше влияния чем то, что видели ученые. Есть и те, кто думает, что темная материя должна состоять из чего-то более непривычного и редкого.
Комбинированное изображение телескопа Хаббл, отображающее призрачное кольцо темной материи в скоплении галактик Cl 0024+17
Большая часть научного мира полагает, что неизвестное вещество представлено в основном небарионной материей. Наиболее популярный кандидат – WIMPS (слабо контактирующие массивные частицы), чья масса в 10-100 раз превосходит показатели протона. Но их взаимодействие с обычной материей слишком слабое, из-за чего сложнее находить.
Сейчас очень внимательно рассматривают и нейтралино – массивные гипотетические частички, превосходящие по массе нейтрино, но отличаются медлительностью. Их пока не нашли. В качестве возможных вариантов также учитывают меньшую нейтральную аксиому и нетронутые фотоны.
Еще один вариант – устаревшие знания о гравитации, которые требуют обновления.
Невидимая темная материя и темная энергия
Но, если мы чего-то не видим, как доказать, что оно существует? И с чего мы решили, что темная материя и темная энергия - это нечто реальное?
Масса крупных объектов вычисляется по их пространственному перемещению. В 50-х годах исследователи, рассматривавшие галактики спирального типа, предполагали, что приближенный к центру материал будет двигаться намного быстрее удаленного. Но выяснилось, что звезды перемещались с одинаковой скоростью, а значит, было намного больше массы, чем думали ранее. Изученный газ в эллиптических типах показал те же результаты. Напрашивался один и тот же вывод: если ориентироваться только на видимую массу, то галактические скопления давно бы разрушились.
Альберт Эйнштейн смог доказать, что крупные вселенские объекты способны изгибать и искажать световые лучи. Это позволило использовать их как естественную увеличительную линзу. Исследуя этот процесс, ученым удалось создать карту темной материи.
Получается, что большая часть нашего мира представлена все еще неуловимым веществом. Вы узнаете больше интересного о темной материи, если посмотрите видео.
Темная материя
Физик Дмитрий Казаков об общем энергетическом балансе Вселенной, теории скрытой массы и частицах темной материи:
Если говорить о материи, то темная безусловно лидирует по процентному соотношению. Но в целом она занимает лишь четверть всего. Вселенная же изобилует темной энергией .
С момента Большого Взрыва пространство запустило процесс расширения, что продолжается и сегодня. Исследователи полагали, что в итоге начальная энергия закончится и она замедлит свой ход. Но далекие сверхновые демонстрируют, что пространство не останавливается, а набирает скорость. Все это возможно только в том случае, если количество энергии настолько огромное, что преодолевает гравитационное влияние.
Темная материя и темная энергия: разъяснения загадки
Мы знаем, что Вселенная, по большей части, представлена темной энергией. Это загадочная сила, которая приводит к тому, что пространство увеличивает скорость расширения Вселенной. Еще одним таинственным компонентом выступает темная материя, поддерживающая контакт с объектами только при помощи гравитации.
Ученые не могут разглядеть темную материю в прямом наблюдении, но эффекты доступны для изучения. Им удается уловить свет, изогнутый гравитационной силой невидимых объектов (гравитационное линзирование). Также замечают моменты, когда звезда совершает обороты вокруг галактики намного быстрее, чем должна.
Все это объясняется наличием огромного количества неуловимого вещества, воздействующего на массу и скорость. На самом деле, это вещество покрыто тайнами. Получается, что исследователи скорее могут сказать не, что перед ними, а чем «оно» не является.
На этом коллаже показаны изображения шести разных галактических скоплений, сделанные при помощи космического телескопа НАСА Хаббл. Кластеры были обнаружены во время попыток исследовать поведение темной материи в галактических скоплениях при их столкновении
Темная материя… темная. Она не производит свет и не наблюдается в прямой обзор. Следовательно, исключаем звезды и планеты.
Она не выступает облаком обычной материи (такие частички называют барионами). Если бы барионы присутствовали в темной материи, то она проявилась бы в прямом наблюдении.
Исключаем также черные дыры, потому что они выступают гравитационными линзами, излучающими свет. Ученые не наблюдают достаточного количества событий линзирования, чтобы вычислить объем темной материи, которая должна присутствовать.
Хотя Вселенная – огромнейшее место, но началось все с наименьших структур. Полагают, что темная материя приступила к конденсации, чтобы создать «строительные блоки» с нормальной материей, произведя первые галактики и скопления.
Чтобы отыскать темную материю, ученые применяют различные методы:
- Большой адронный коллайдер.
- инструменты, вроде WNAP и космическая обсерватория Планка.
- эксперименты прямого обзора: ArDM, CDMS, Zeplin, XENON, WARP и ArDM.
- косвенное обнаружение: детекторы гамма-лучей (Ферми), нейтринные телескопы (IceCube), детекторы антивещества (PAMELA), рентгеновские и радиодатчики.
Методы поиска темной материи
Физик Антон Баушев о слабых взаимодействиях между частицами, радиоактивности и поиске следов аннигиляции:
Углубляемся в тайну темной материи и темной энергии
Еще ни раз ученые не смогли в буквальном смысле увидеть темную материю, потому что она не контактирует с барионной, а значит, остается неуловимой для света и прочих разновидностей электромагнитного излучения. Но исследователи уверены в ее присутствии, так как наблюдают за воздействием на галактики и скопления.
Стандартная физика говорит, что звезды, расположенные на краях галактики спирального типа, должны замедлять скорость. Но выходит так, что появляются звезды, чья скорость не подчиняется принципу расположения по отношению к центру. Это можно объяснить лишь тем, что звезды ощущают влияние от невидимой темной материи в ореоле вокруг галактики.
Наличие темной материи также способно расшифровать некоторые иллюзии, наблюдаемые во вселенских глубинах. Например, присутствие в галактиках странных колец и световых дуг. То есть, свет от отдаленных галактик проходит сквозь искажение и усиливается невидимым слоем темной материи (гравитационное линзирование).
Пока у нас есть несколько идей о том, что собою представляет темная материя. Главная мысль – это экзотические частицы, не контактирующие с обычной материей и светом, но имеющие власть в гравитационном смысле. Сейчас несколько групп (одни используют Большой адронный коллайдер) работают над созданием частиц темной материи, чтобы изучить их в лабораторных условиях.
Другие думают, что влияние можно объяснить фундаментальной модификацией гравитационной теории. Тогда получаем несколько форм гравитации, что существенно отличается от привычной картины и установленных физикой законов.
Расширяющаяся Вселенная и темная энергия
Ситуация с темной энергией еще более запутанная и само открытие в 1990-х годах стало непредсказуемым. Физики всегда думали, что сила притяжения работает на замедление и однажды может приостановить процесс вселенского расширения. За измерение скорости взялось сразу две команды и обе, к своему удивлению, выявили ускорение. Это словно вы подбрасываете яблоко в воздух и знаете, что оно обязано упасть вниз, а оно удаляется от вас все дальше.
Стало ясно, что на ускорение влияет некая сила. Более того, кажется, чем шире Вселенная, тем больше «власти» получает эта сила. Ученые решили обозначить ее темной энергией.
Статьях цикла мы рассмотрели устройство видимой Вселенной. Поговорили о ее структуре и частицах, которые формируют эту структуру. О нуклонах, играющих главную роль, поскольку именно из них состоит всё видимое вещество. О фотонах, электронах, нейтрино, а также о второстепенных актерах, занятых во вселенском спектакле, что разворачивается 14 миллиардов лет, прошедших с момента Большого взрыва. Казалось бы, рассказывать больше не о чем. Но это не так. Дело в том, что видимое нами вещество — лишь малая часть того, из чего состоит наш мир. Все остальное — нечто, о чем мы почти ничего не знаем. Это загадочное «нечто» получило название темной материи.
Если бы тени предметов зависели не от величины сих последних,
а имели бы свой произвольный рост, то, может быть,
вскоре не осталось бы на всем земном шаре ни одного светлого места.
Козьма Прутков
Что будет с нашим миром?
После открытия в 1929 году Эдвардом Хабблом красного смещения в спектрах удаленных галактик стало ясно, что Вселенная расширяется. Одним из вопросов, возникших в этой связи, был следующий: как долго будет продолжаться расширение и чем оно закончится? Силы гравитационного притяжения, действующие между отдельными частями Вселенной, стремятся затормозить разбегание этих частей. К чему торможение приведет — зависит от суммарной массы Вселенной. Если она достаточно велика, силы тяготения постепенно остановят расширение и оно сменится сжатием. В результате Вселенная в конце концов опять «схлопнется» в точку, из которой когда-то начала расширяться. Если же масса меньше некоторой критической массы, то расширение будет продолжаться вечно. Обычно принято говорить не о массе, а о плотности, которая связана с массой простым соотношением, известным из школьного курса: плотность есть масса, деленная на объем.
Расчетное значение критической средней плотности Вселенной примерно 10 -29 граммов на кубический сантиметр, что соответствует в среднем пяти нуклонам на кубический метр. Следует подчеркнуть, что речь идет именно о средней плотности. Характерная концентрация нуклонов в воде, земле и в нас с вами составляет около 10 30 на кубический метр. Однако в пустоте, разделяющей скопления галактик и занимающей львиную долю объема Вселенной, плотность на десятки порядков ниже. Значение концентрации нуклонов, усредненное по всему объему Вселенной, десятки и сотни раз измеряли, тщательно подсчитывая разными методами количества звезд и газопылевых облаков. Результаты таких измерений несколько различаются, но качественный вывод неизменен: значение плотности Вселенной едва дотягивает до нескольких процентов от критической.
Поэтому вплоть до 70-х годов XX столетия общепринятым был прогноз о вечном расширении нашего мира, которое неизбежно должно привести к так называемой тепловой смерти. Тепловая смерть — это такое состояние системы, когда вещество в ней распределено равномерно и разные ее части имеют одну и ту же температуру. Как следствие, невозможна ни передача энергии от одной части системы к другой, ни перераспределение вещества. В такой системе ничего не происходит и никогда уже не сможет произойти. Наглядной аналогией служит вода, разлитая по какой-либо поверхности. Если поверхность неровная и есть хотя бы небольшие перепады высот, вода перемещается по ней с более высоких мест на более низкие и в конце концов собирается в низинах, образуя лужи. Движение прекращается. Оставалось утешаться только тем, что тепловая смерть наступит через десятки и сотни миллиардов лет. Следовательно, еще очень-очень долго об этой мрачной перспективе можно не задумываться.
Однако постепенно стало ясно, что истинная масса Вселенной намного больше видимой массы, заключенной в звездах и газопылевых облаках и, скорее всего, близка к критической. А возможно, в точности равна ей.
Свидетельства существования темной материи
Первое указание на то, что с подсчетом массы Вселенной что-то не так, появилось в середине 30-х годов XX века. Швейцарский астроном Фриц Цвикки измерил скорости, с которыми галактики скопления Волосы Вероники (а это одно из самых больших известных нам скоплений, оно включает в себя тысячи галактик) движутся вокруг общего центра. Результат получился обескураживающим: скорости галактик оказались гораздо больше, чем можно было ожидать, исходя из наблюдаемой суммарной массы скопления. Это означало, что истинная масса скопления Волосы Вероники гораздо больше видимой. Но основное количество материи, присутствующей в этой области Вселенной, остается по каким-то причинам невидимой и недоступной для прямых наблюдений, проявляя себя только гравитационно, то есть только как масса.
О наличии скрытой массы в скоплениях галактик свидетельствуют также эксперименты по так называемому гравитационному линзированию. Объяснение этого явления следует из теории относительности. В соответствии с ней, любая масса деформирует пространство и подобно линзе искажает прямолинейный ход лучей света. Искажение, которое вызывает скопление галактик, столь велико, что его легко заметить. В частности, по искажению изображения галактики, которая лежит за скоплением, можно рассчитать распределение вещества в скоплении-линзе и измерить тем самым его полную массу. И оказывается, что она всегда во много раз больше, нежели вклад видимого вещества скопления.
Через 40 лет после работ Цвикки, в 70-е годы, американский астроном Вера Рубин изучала скорости вращения вокруг галактического центра вещества, расположенного на периферии галактик. В соответствии с законами Кеплера (а они напрямую следуют из закона всемирного тяготения), при движении от центра галактики к ее периферии скорость вращения галактических объектов должна убывать обратно пропорционально квадратному корню из расстояния до центра. Измерения же показали, что для многих галактик эта скорость остается почти постоянной на весьма значительном удалении от центра. Эти результаты можно истолковать только одним способом: плотность вещества в таких галактиках не убывает при движении от центра, а остается почти неизменной. Поскольку плотность видимого вещества (содержащегося в звездах и межзвездном газе) быстро падает к периферии галактики, недостающую плотность должно обеспечивать нечто, чего мы по каким-то причинам увидеть не можем. Для количественного объяснения наблюдаемых зависимостей скорости вращения от расстояния до центра галактик требуется, чтобы этого невидимого «чего-то» было примерно в 10 раз больше, чем обычного видимого вещества. Это «нечто» получило название «темная материя» (по-английски «dark matter ») и до сих пор остается самой интригующей загадкой в астрофизике.
Еще одно важное свидетельство присутствия темной материи в нашем мире приходит из расчетов, моделирующих процесс формирования галактик, который начался примерно через 300 тысяч лет после начала Большого взрыва. Эти расчеты показывают, что силы гравитационного притяжения, которые действовали между разлетающимися осколками возникшей при взрыве материи, не могли скомпенсировать кинетической энергии разлета. Вещество просто не должно было собраться в галактики, которые мы тем не менее наблюдаем в современную эпоху. Эта проблема получила название галактического парадокса, и долгое время ее считали серьезным аргументом против теории Большого взрыва. Однако если предположить, что частицы обычного вещества в ранней Вселенной были перемешаны с частицами невидимой темной материи, то в расчетах всё становится на свои места и концы начинают сходиться с концами — формирование галактик из звезд, а затем скоплений из галактик становится возможным. При этом, как показывают вычисления, сначала в галактики скучивалось огромное количество частиц темной материи и только потом, за счет сил тяготения, на них собирались элементы обычного вещества, общая масса которого составляла лишь несколько процентов от полной массы Вселенной. Получается, что знакомый и, казалось бы, изученный до деталей видимый мир, который мы совсем недавно считали почти понятым, — только небольшая добавка к чему-то, из чего в действительности состоит Вселенная. Планеты, звезды, галактики да и мы с вами — всего лишь ширма для громадного «нечто», о котором мы не имеем ни малейшего представления.
Фотофакт
Скопление галактик (в левой нижней части участка, обведенного кружком) создает гравитационную линзу. Она искажает форму расположенных за линзой объектов — вытягивая их изображения в одном направлении. По величине и направлению вытягивания международная группа астрономов из Южной Европейской обсерватории, возглавляемая учеными из парижского Института астрофизики, построила распределение масс, которое и показано на нижнем изображении. Как видно, в скоплении сосредоточено гораздо больше массы, нежели удается разглядеть в телескоп.
Охота на темные массивные объекты — дело небыстрое, и на фотографии результат выглядит не самым эффектным образом. В 1995 году телескоп «Хаббл» заметил, что одна из звездочек Большого Магелланова облака вспыхнула ярче. Это свечение продолжалось три с лишним месяца, но потом звезда вернулась к своему естественному состоянию. А шесть лет спустя рядом со звездой появился какой-то едва светящийся объект. Это и был холодный карлик, который, проходя на расстоянии 600 световых лет от звезды, создал гравитационную линзу, усиливающую свет. Расчеты показали, что масса этого карлика составляет всего 5-10% от массы Солнца.
Наконец, общая теория относительности однозначно связывает темп расширения Вселенной со средней плотностью вещества, заключенного в ней. В предположении о том, что средняя кривизна пространства равна нулю, то есть в нем действует геометрия Эвклида, а не Лобачевского (что надежно проверено, например, в экспериментах с реликтовым излучением), эта плотность должна быть равна 10 -29 граммам на кубический сантиметр. Плотность же видимого вещества примерно в 20 раз меньше. Недостающие 95% от массы Вселенной и есть темная материя. Обратите внимание, что измеренное из скорости расширения Вселенной значение плотности равно критическому. Два значения, независимо вычисленные совершенно разными способами, совпали! Если в действительности плотность Вселенной в точности равна критической, это не может быть случайным совпадением, а представляет собой следствие какого-то фундаментального свойства нашего мира, которое еще предстоит понять и осмыслить.
Что это?
Что же мы знаем сегодня о темной материи, составляющей 95% массы Вселенной? Почти ничего. Но что-то всё же знаем. Прежде всего, нет никаких сомнений в том, что темная материя существует — об этом неопровержимо свидетельствуют факты, приведенные выше. А еще нам доподлинно известно, что темная материя существует в нескольких формах. После того как к началу XXI века в результате многолетних наблюдений в экспериментах SuperKamiokande (Япония) и SNO (Канада) было установлено, что у нейтрино масса есть, стало ясно, что от 0,3% до 3% из 95% скрытой массы заключается в давно знакомых нам нейтрино — пусть масса их чрезвычайно мала, но количество во Вселенной примерно в миллиард раз превышает количество нуклонов: в каждом кубическом сантиметре содержится в среднем 300 нейтрино. Оставшиеся 92-95% состоят из двух частей — темной материи и темной энергии. Незначительную долю темной материи составляет обычное барионное вещество, построенное из нуклонов, за остаток отвечают, по-видимому, какие-то неизвестные массивные слабовзаимодействующие частицы (так называемая холодная темная материя). Баланс энергий в современной Вселенной представлен в таблице, а рассказ о ее трех последних графах — ниже.
Барионная темная материя
Небольшая (4-5%) часть темной материи — это обычное вещество, которое не испускает или почти не испускает собственного излучения и поэтому невидимо. Существование нескольких классов таких объектов можно считать экспериментально подтвержденным. Сложнейшие эксперименты, основанные всё на том же гравитационном линзировании, привели к открытию так называемых массивных компактных галообъектов, то есть расположенных на периферии галактических дисков. Для этого потребовалось следить за миллионами удаленных галактик в течение нескольких лет. Когда темное массивное тело проходит между наблюдателем и далекой галактикой, ее яркость на короткое время уменьшается (или увеличивается, поскольку темное тело выступает в роли гравитационной линзы). В результате кропотливых поисков такие события были выявлены. Природа массивных компактных галообъектов ясна не до конца. Скорее всего, это либо остывшие звезды (коричневые карлики), либо планетоподобные объекты, не связанные со звездами и путешествующие по галактике сами по себе. Еще один представитель барионной темной материи — недавно обнаруженный в галактических скоплениях методами рентгеновской астрономии горячий газ, который не светится в видимом диапазоне.
Небарионная темная материя
В качестве главных кандидатов на небарионную темную материю выступают так называемые WIMP (сокращение от английского Weakly Interactive Massive Particles — слабовзаимодействующие массивные частицы). Особенность WIMP состоит в том, что они почти никак не проявляют себя во взаимодействии с обычным веществом. Именно поэтому они и есть самая настоящая невидимая темная материя, и именно поэтому их чрезвычайно сложно обнаружить. Масса WIMP должна быть как минимум в десятки раз больше массы протона. Поиски WIMP ведутся во многих экспериментах в течение последних 20-30 лет, но, несмотря на все усилия, они до сих пор обнаружены не были.
Одна из идей состоит в том, что если такие частицы существуют, то Земля в своем движении вместе с Солнцем по орбите вокруг центра Галактики должна лететь сквозь дождь, состоящий из WIMP. Несмотря на то что WIMP представляет собой чрезвычайно слабо взаимодействующую частицу, какая-то очень малая вероятность провзаимодействовать с обычным атомом у нее всё же есть. При этом в специальных установках — очень сложных и дорогостоящих — может быть зарегистрирован сигнал. Количество таких сигналов должно меняться в течение года, поскольку, двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля меняет свою скорость и направление движения относительно ветра, состоящего из WIMP. Экспериментальная группа DAMA, работающая в итальянской подземной лаборатории Гран-Сассо, сообщает о наблюдаемых годичных вариациях скорости счета сигналов. Однако другие группы пока не подтверждают этих результатов, и вопрос, по существу, остается открытым.
Другой метод поиска WIMP основан на предположении о том, что в течение миллиардов лет своего существования различные астрономические объекты (Земля, Солнце, центр нашей Галактики) должны захватывать WIMP, которые накапливаются в центре этих объектов, и, аннигилируя друг с другом, рождать поток нейтрино. Попытки детектирования избыточного нейтринного потока из центра Земли в направлении к Солнцу и к центру Галактики были предприняты на подземных и подводных нейтринных детекторах MACRO, LVD (лаборатория Гран-Сассо), NT-200 (озеро Байкал, Россия), SuperKamiokande, AMANDA (станция Скотт-Амундсен, Южный полюс), но пока не привели к положительному результату.
Эксперименты по поиску WIMP активно проводят также на ускорителях элементарных частиц. В соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна Е=mс 2 , энергия эквивалентна массе. Следовательно, ускорив частицу (например, протон) до очень высокой энергии и столкнув ее с другой частицей, можно ожидать рождения пар других частиц и античастиц (в том числе WIMP), суммарная масса которых равна суммарной энергии сталкивающихся частиц. Но и ускорительные эксперименты пока не привели к положительному результату.
Темная энергия
В начале прошлого века Альберт Эйнштейн, желая обеспечить космологической модели в общей теории относительности независимость от времени, ввел в уравнения теории так называемую космологическую постоянную, которую обозначил греческой буквой «лямбда» — Λ. Эта Λ была чисто формальной константой, в которой сам Эйнштейн не видел никакого физического смысла. После того как было открыто расширение Вселенной, надобность в ней отпала. Эйнштейн очень жалел о своей поспешности и называл космологическую постоянную Λ своей самой большой научной ошибкой. Однако спустя десятилетия выяснилось, что постоянная Хаббла, которая определяет темп расширения Вселенной, меняется со временем, причем ее зависимость от времени можно объяснить, подбирая величину той самой «ошибочной» эйнштейновской постоянной Λ, которая вносит вклад в скрытую плотность Вселенной. Эту часть скрытой массы и стали называть «темная энергия».
О темной энергии можно сказать еще меньше, чем о темной материи. Во-первых, она равномерно распределена по Вселенной, в отличие от обычного вещества и других форм темной материи. В галактиках и скоплениях галактик ее столько же, сколько вне их. Во-вторых, она обладает несколькими весьма странными свойствами, понять которые можно, лишь анализируя уравнения теории относительности и интерпретируя их решения. Например, темная энергия испытывает антигравитацию: за счет ее присутствия темп расширения Вселенной растет. Темная энергия как бы расталкивает саму себя, ускоряя при этом и разбегание обычной материи, собранной в галактиках. А еще темная энергия обладает отрицательным давлением, благодаря которому в веществе возникает сила, препятствующая его растяжению.
Главный кандидат на роль темной энергии — вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, что и соответствует отрицательному давлению. Еще один кандидат — гипотетическое сверхслабое поле, получившее название квинтэссенция. Надежды на прояснение природы темной энергии связывают прежде всего с новыми астрономическими наблюдениями. Продвижение в этом направлении, несомненно, принесет человечеству радикально новые знания, поскольку в любом случае темная энергия должна представлять собой совершенно необычную субстанцию, абсолютно непохожую на то, с чем имела дело физика до сих пор.
Итак, наш мир на 95% состоит из чего-то, о чем мы почти ничего не знаем. Можно по-разному относиться к такому не подлежащему никакому сомнению факту. Он может вызывать тревогу, которая всегда сопутствует встрече с чем-то неизвестным. Или огорчение, оттого что такой долгий и сложный путь построения физической теории, описывающей свойства нашего мира, привел к констатации: большая часть Вселенной скрыта от нас и неизвестна нам.
Но большинство физиков сейчас испытывают воодушевление. Опыт показывает, что все загадки, которые ставила перед человечеством природа, рано или поздно разрешались. Несомненно, разрешится и загадка темной материи. И это наверняка принесет совершенно новые знания и понятия, о которых мы пока не имеем никакого представления. И возможно, мы встретимся с новыми загадками, которые, в свою очередь, также будут разгаданы. Но это будет совсем другая история, которую читатели «Химии и жизни» смогут прочесть не раньше, чем через несколько лет. А может быть, и через несколько десятилетий.
Вопрос происхождения Вселенной, ее прошлого и будущего волновал людей с незапамятных времен. На протяжении многих веков теории возникали и опровергались, предлагая картину мира, опирающуюся на известные данные. Основательным потрясением для научного мира стала теория относительности Эйнштейна. Она же внесла огромный вклад в понимание процессов, формирующих Вселенную. Однако и теория относительности не могла претендовать на звание истины в последней инстанции, не требующей каких бы то ни было дополнений. Совершенствующиеся технологии позволили астрономам сделать немыслимые ранее открытия, которые потребовали новой теоретической базы или значительного расширения уже существующих положений. Одним из таких феноменов стала темная материя. Но обо всем по порядку.
Дела давно минувших дней
Для понимания термина «темная материя» вернемся в начало прошлого века. В то время главенствовало представление о Вселенной как о стационарной структуре. Между тем общая теория относительности (ОТО) предполагала, что рано или поздно приведет к «слипанию» всех объектов космоса в единый клубок, произойдет так называемый гравитационный коллапс. Между космическими объектами не существует сил отталкивания. Взаимное притяжение компенсируется центробежными силами, создающими постоянное движение звезд, планет и прочих тел. Таким образом поддерживается равновесие системы.
Для того чтобы предотвратить теоретический коллапс Вселенной, Эйнштейн ввел - величину, приводящую систему в необходимое стационарное состояние, но при этом фактически выдуманную, не имеющую очевидных оснований.
Расширяющаяся Вселенная
Вычисления и открытия Фридмана и Хаббла показали отсутствие необходимости нарушать стройные уравнения ОТО при помощи новой постоянной. Было доказано, и сегодня этот факт практически ни у кого не вызывает сомнений, что Вселенная расширяется, у нее было когда-то начало, и о стационарности речи идти не может. Дальнейшее развитие космологии привело к появлению теории большого взрыва. Главное подтверждение новых предположений — наблюдаемое увеличение со временем расстояния между галактиками. Именно измерение скорости удаления друг от друга соседних космических систем и привело к формированию гипотезы о том, что существует темная материя и темная энергия.
Данные, не согласующиеся с теорией
Фриц Цвикки в 1931 году, а потом и Ян Оорт в 1932-м и в 1960-х занимались подсчетом массы вещества галактик в удаленном скоплении и соотношения ее со скоростью удаления их друг от друга. Из раза в раз ученые приходили к одним и тем же выводам: такого количества вещества недостаточно, чтобы создаваемая им гравитация могла удержать вместе галактики, двигающиеся со столь большими скоростями. Цвикки и Оорт предположили, что существует скрытая масса, темная материя Вселенной, не позволяющая космическим объектам разлететься в разные стороны.
Однако гипотеза получила признание научного мира только в семидесятых годах, после оглашения результатов работы Веры Рубин.
Она построила кривые вращения, наглядно демонстрирующие зависимость скорости движения вещества галактики от расстояния, которое отделяет его от центра системы. Вопреки теоретическим предположениям оказалось, что скорости звезд по мере удаления от галактического центра не уменьшаются, а возрастают. Объяснить подобное поведение светил можно было только наличием у галактики гало, которое заполняет темная материя. Астрономия, таким образом, столкнулась с совершенно неизученной частью мироздания.
Свойства и состав
Темной этот называют потому, что ее нельзя увидеть никакими существующими способами. Ее присутствие опознается по косвенному признаку: темная материя создает гравитационное поле, при этом не излучая совершенно электромагнитных волн.
Важнейшей задачей, возникшей перед учеными, стало получение ответа на вопрос о том, из чего состоит эта материя. Астрофизики пытались «наполнить» ее привычным барионным веществом (барионная материя состоит из более или менее изученных протонов, нейтронов и электронов). В темное гало галактик включали компактные слабоизлучающие звезды типа и огромные, по массе приближенные к Юпитеру планеты. Однако подобные предположения не выдерживали проверки. Барионная материя, привычная и известная, таким образом, не может играть существенной роли в скрытой массе галактик.
Сегодня поиском неизвестных составляющих занимается физика. Практические изыскания ученых основываются на теории суперсимметрии микромира, согласно которой для каждой известной частицы существует суперсимметричная пара. Вот они-то и составляют темную материю. Однако доказательств существования подобных частиц пока получить не удалось, возможно, это дело ближайшего будущего.
Темная энергия
Открытием нового типа материи не закончились сюрпризы, которые подготовила Вселенная ученым. В 1998 году астрофизикам представился еще один шанс сопоставить данные теорий с фактами. Этот год ознаменовался взрывом в далекой от нас галактике.
Астрономы измерили расстояние до нее и крайне удивились полученным данным: звезда вспыхнула гораздо дальше, чем это должно было быть согласно существующей теории. Оказалось, что со временем увеличивается: сейчас она гораздо выше, чем была 14 миллиардов лет назад, когда предположительно случился большой взрыв.
Как известно, чтобы ускорить движение тела, ему нужно передать энергию. Силу, которая вынуждает Вселенную расширяться быстрее, стали называть темной энергией. Это не менее загадочная часть космоса, чем темная материя. Известно лишь, что для нее характерно равномерное распределение по всей Вселенной, а зарегистрировать ее воздействие можно лишь на огромных космических расстояниях.
И снова космологическая постоянная
Темная энергия пошатнула теорию большого взрыва. Часть научного мира скептически относится к возможности подобной субстанции и вызванного ей ускорения расширения. Некоторые астрофизики пытаются возродить забытую космологическую постоянную Эйнштейна, которая вновь из разряда большой научной ошибки может перейти в число рабочих гипотез. Ее присутствие в уравнениях создает антигравитацию, приводящую к ускорению расширения. Однако некоторые следствия наличия космологической постоянной не согласуются с данными наблюдений.
Сегодня темная материя и темная энергия, составляющие большую часть вещества во Вселенной, — загадки для ученых. Однозначного ответа на вопрос об их природе нет. Более того, возможно, это не последняя тайна, что хранит от нас космос. Темная материя и энергия могут стать преддверием новых открытий, способных перевернуть наше представление об устройстве Вселенной.
Вселенная состоит всего на 4,9% из обычного вещества - барионной материи, из которой состоит наш мир. Большая часть 74% всей Вселенной приходится на загадочную тёмную энергию, а 26,8% массы во Вселенной приходится на неподвластные физическим законам, трудно обнаруживаемые частицы, названные тёмной материей.
Эта странная и необычная концепция тёмной материи была предложена в попытке пояснения необъяснимых астрономических явлений. Так о существовании некой мощной энергии, настолько плотной и массивной - её в пять раз больше, чем обычного вещества материи, из которой состоит наш мир, состоим мы, учёные заговорили после обнаружения непонятных явлений в гравитации звезд и формирования Вселенной.
Откуда появилась концепция тёмной материи?
Так, звёзды в спиральных галактиках, подобных нашей, имеют довольно высокую скорость обращения и по всем законам при таком быстром движении должны бы просто вылетать в межгалактическое пространство, как апельсины из опрокинувшейся корзины, но они не делают это. Их удерживает некая сильнейшая гравитационная сила, которая не регистрируется и не улавливается никакими нашими способами.
Еще интересное подтверждение о существовании некой темной материи учёные получили из исследований космического микроволнового фона. Они показали, что после Большого взрыва материя в самом начале была однородна распространена в пространстве, но в некоторых местах её плотность была несколько выше, чем в среднем. Эти области обладали более сильной гравитацией, в отличие от тех, которые их окружали, и при этом, притягивая к себе материю, они становились ещё плотней и массивней. Весь этот процесс должен был быть слишком медленным, чтобы за всего 13,8 млрд лет, (а это возраст Вселенной), сформировать крупные галактики, в том числе наш Млечный путь.
Таким образом, остается предположить, что ускоряет темп развития галактик, наличие достаточного для этого количества темной материи с её дополнительной гравитацией, значительно ускоряющей этот процесс.
Какая она - тёмная материя?
Одна из центральных идей, что чёрная материя состоит из ещё не открытых субатомных частиц. Что это за частицы и кто претендует на эту роль, кандидатов много.
Предполагается, что у фундаментальных элементарных частиц из семейства фермионов имеются суперсимметричные партнеры из другого семейства - бозонов. Такие слабовзаимодействующие массивные частицы имеют название WIMP (или просто вимпы). Самый легкий и при этом стабильный суперпартнер - нейтралино. Вот он, то и является наиболее вероятным кандидатом на роль веществ темной материи.
На данный момент попытки получить нейтралино или хотя бы схожую или вовсе другую частицу тёмной материи к успеху не привели. Пробы получения нейтралино предпринимались на сверхвысокоэнергичных столкновениях на получившем известность и разную оценку Большом адронном коллайдере. В будущем эксперименты будут проводиться с ещё большими энергиями столкновений, но и это не гарантирует, что будет обнаружены хоть какие-то модели тёмной материи.
Как говорит Мэттью Маккалоу (из Центра теоретической физики Массачусетского технологического института) - "Наш обычный мир устроен сложно, он не построен из однотипных частиц, а если тёмная материя тоже сложная?". По его теории, гипотетически тёмная материя может взаимодействовать сама с собой, но при этом игнорировать обычную материю. Именно поэтому мы и не можем заметить и как-то зарегистрировать её присутствие.
(Карта космического микроволнового фонового излучения (CMB), сделанному Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) )
Наша галактика Млечный путь состоит из огромных масштабов сферического вращающегося облака тёмной материи, в нём подмешано небольшое количество обычной материи, которая сжимается под действием гравитации. Быстрее это происходит между полюсами, не так, как в области экватора. Как результат, наша галактика приобретает вид сплющенного спирального диска из звёзд и погружается в сфероидальное облако тёмной материи.
Теории существования тёмной материи
Для объяснения природы недостающей массы во Вселенной выдвигались различные теории, так или иначе, говорящие о существовании тёмной материи. Вот некоторые из них:
- Гравитационное притяжение обычной регистрируемой материи во Вселенной не может объяснить странное движение звезд в галактиках, там где во внешних областях спиральных галактик звёзды обращаются настолько быстро, что должны были бы просто вылететь в межзвездное пространство. Что же их удерживает, если это невозможно зафиксировать.
- Существующая тёмная материя превосходит обычную материю Вселенной в 5,5 раз и только её дополнительная гравитация может объяснить нехарактерные движения звезд в спиральных галактиках.
- Возможные частицы тёмной материи вимпы (WIMP), они слабовзаимодействющие массивные частицы при этом сверрхтяжёлые суперсимметричные партнеры субатомных частиц. В теории существует свыше трёх пространственных измерений, недоступных для нас. Сложность в том, так как же их зарегистрировать, когда дополнительные измерения по теории Калуцы - Клейна оказываются для нас недоступными.
Возможно, ли зарегистрировать тёмную материю?
Сквозь Землю пролетают огромные количества частиц тёмной материи, но так как тёмная материя не взаимодействует, а если и есть взаимодействие то крайне слабое, практически нулевое, с обычной материей, то в большинстве экспериментов значительных результатов получено не было.
Тем не менее попытки зарегистрировать присутствие темной материи пробуются в экспериментах столкновения различных атомных ядер (кремния, ксенона, фтора, иода и других) в надежде увидеть отдачу от частицы тёмной материи.
В нейтринной астрономической обсерватории на станции Амундсена - Скотта с интересным названием IceCube проводятся исследования по обнаружению высокоэнергетичных нейтрино, рожденных за пределами Солнечной системы.
Здесь на Южном полюсе, где температура за бортом до -80 °C, на глубине 2,4 км подо льдом установлена высокоточная электроника, обеспечивающая непрерывный процесс наблюдения за загадочными процессами Вселенной, происходящими за гранью обычной материи. Пока это только попытки приблизится к отгадке глубочайших тайн Вселенной, но некоторые успехи уже есть, такие, как историческое открытие 28 нейтрино.
Итак. Невероятно интересно что, Вселенная, состоящая из тёмной материи, недоступной для видимого изучения нами, может оказаться во много раз сложнее устройства нашей Вселенной. А быть может, Вселенная из тёмной материи значительно превосходит нашу и именно там происходят все важные дела, отголоски которых мы пытаемся видеть в нашей обыкновенной материи, но это уже переходит в область научной фантастики.
На сегодняшний день загадка о том, откуда появилось темное вещество так и не разгадана. Есть теории, которые предполагают, что оно состоит из межзвездного газа низкой температуры. При этом вещество не может давать какое-либо излучение. Однако существуют теории, направленные против этой идеи. Они говорят о том, что газ способен разогреваться, что приводит к тому, что они становятся обычными «барионными» веществами. В пользу этой теории свидетельствует то, что масса газа в холодном состоянии не может устранить дефицит, который возникает при этом.
В теориях о темном веществе столько вопросов, что стоит разобраться в этом чуть подробнее.
Чем является темное вещество?
Вопрос о том, что же такое темное вещество, появился примерно 80 лет назад. Еще в начале 20 века. В то время астроному из Швейцарии Ф. Цвикки пришла в голову идея о том, что масса всех галактик в реальности больше, чем масса всех тех объектов, которые можно увидеть собственными газами в телескоп. Все многочисленные подсказки намекали на то, что в космосе существует нечто неведомое, что обладает внушительной массой. Этой необъяснимой субстанции было решено дать название «темное вещество».
Это невидимое вещество занимает не менее четверти от всей Вселенной. Особенность этого вещества в том, что его частицы плохо вступают во взаимодействие между собой и с обычным другим веществом. Это взаимодействие настолько слабое, что ученые не могут даже зафиксировать это. По факту есть только признаки влияния от частиц.
Изучение этого вопроса ведется самыми большими умами по всему миру, поэтому даже самые большие скептики в мире считают, что получится уловить частицы вещества. Самая желаемая цель – сделать это в условиях лаборатории. В шахтах на большой глубине ведутся работы, такие условия для экспериментов необходимы, чтобы исключить помехи, которые оказывают частицы лучей из космоса.
Есть вероятность, что много новой информации удастся получить благодаря современным ускорителям, в частности, с помощью Большого адронного коллайдера.
Частицы темного вещества имеют одну странную особенность - взаимоуничтожение. В результате таких процессов появляется гамма-излучение, античастицы и частицы (такие как электрон и позитрон). Поэтому астрофизики делают попытки найти следы гамма-излучения или античастиц. Для этого используются различные наземные и космические установки.
Доказательства существования темного вещества
Самыми первыми сомнениями в правильности расчетов массы Вселенной, как уже говорилось, поделился астроном из Швейцарии Ф. Цвикки. Для начала он решил измерить скорость галактик из скопления Волос Вероники двигавшихся вокруг центра. И результат его работ несколько озадачил его, потому что скорость движения этих галактик оказалась выше, чем он предполагал. Кроме того, он предварительно рассчитал это значение. Но результаты не совпали.
Вывод был очевиден: реальная масса скопления была гораздо больше, чем видимая. Это могло объясниться тем, что большая часть вещества, которое есть в этой части Вселенной, не может быть видима, а также за ней невозможно понаблюдать. Это вещество проявляет свои свойство только в виде массы.
Ряд гравитационных экспериментов подтвердил присутствие невидимой массы в галактических скоплениях. В теории относительности есть некоторое толкование этого явления. Если ей следовать, то каждая масса способна к деформированию пространства, кроме того, словно линза она искривляет прямой поток световых лучей. Галактическое скопление вызывает искажение, его влияние настолько сильно, что становится заметным. Сильнее всего искажается вид галактики, которая располагается непосредственно за скоплением. По этому искажению и рассчитывается то, как распределилось вещество в этом скоплении. Так и измеряют реальную массу. Она неизменно оказывается больше в несколько раз, чем масса видимой материи.
Спустя четыре десятилетия после работ первопроходца в этой сфере Ф. Цвикки этим вопросом занялась астроном из Америки В. Рубин. Она изучала скорость, с которой вращается вокруг центра галактики вещество, которое располагается по краям галактик. Если следовать законам Кеплера, касающимся законов тяготения, то существует определенная зависимость между скоростью вращения галактик и расстоянием до центра.
Но в реальности измерения показывали, что скорость вращения не менялась с увеличением расстояния до центра. Такие данные можно было объяснить только одним путем – вещество галактики имеет одинаковую плотность как в центре, так и по краям. Но видимое вещество имело гораздо большую плотность в центре и характеризовалось разреженностью по краям, а недостаток плотности мог быть объяснен только наличием какого-то вещества, которое не видно глазу.
Чтобы дать объяснение явлению, нужно, чтобы этого самого невидимого вещества в галактиках было почти в 10 раз больше, нежели того вещества, которое мы можем увидеть. Вот это неведомое вещество и получило название «темное вещество», или «темная материя». На сегодняшний день для астрофизиков это явление так и остается самой интересной загадкой.
Есть еще один довод в пользу доказательств существования темного вещества. Он следует из расчетов, которые описывают процесс того, как формировались галактики. Считается, что началось это примерно через 300.000 лет после того, как произошел Большой взрыв . Результаты расчетов говорят, что притяжение между осколками материи, которая появилась при взрыве, не могло бы компенсировать кинетическую энергию от разлета. То есть вещество не могло сконцентрироваться в галактиках, однако мы можем видеть это сегодня.
Этот необъяснимый факт называют парадоксом галактики, его приводили как довод, разрушающий теорию Большого взрыва. Но можно посмотреть на это с другой стороны. Ведь частицы самого обычного вещества могли быть смешаны с частицами темного вещества. Тогда расчеты становятся верными, а то, как сформировались галактики, в которых скопилось много темного вещества, а к ним уже присоединились частицы обычного вещества за счет гравитации. Ведь обычное вещество составляет малую долю от всей массы Вселенной.
Видимое вещество имеет плотность относительно низкую по сравнению с темным веществом, потому что оно плотнее в 20 раз. Поэтому те 95% массы Вселенной, которых не достает по расчетам ученых – это и есть темное вещество.
Однако это приводило к выводу, что весь видимый мир, который был изучен вдоль и поперек, такой привычный и понятный, лишь небольшое приложение к тому, из чего реально складывается .
Все галактики, планеты и звезды – это просто маленький кусочек того, о чем мы не имеем понятия. Это то, что выставлено напоказ, а реальное от нас скрыто.
