Чего больше всего во вселенной энергии или материи

Почти пусто: астрономы выяснили, сколько во Вселенной материи

Сколько в космосе материи? Ответ на этот вопрос искали и нашли астрономы из США и Египта, опубликовавшие результаты своих исследований в научном журнале Astrophysical Journal.

Космос как винегрет

Из чего состоит Вселенная? Разумеется, в ней есть звезды и планеты. А еще межзвездный газ, которого примерно столько же, сколько звезд (по массе). На бескрайних просторах между галактиками изредка встречаются атомы межгалактического газа. Изредка-то изредка, однако в сумме это вещество весит вчетверо больше, чем звезды и межзвездный газ вместе взятые. Но и это далеко не основной ингредиент космического салата. Ученые уже несколько десятилетий знают о существовании еще одного компонента — темной материи. Это вещество не наблюдается ни в какие телескопы, но более чем ярко проявляет себя своей гравитацией. Под дудку его тяготения пляшут и звезды в галактиках, и галактики в скоплениях.

Существование темной материи — доказанный факт, он надежно установлен несколькими способами. Но вот вопрос, из чего она состоит, спорный. Несомненно, некоторую ее часть составляют привычные астрономам объекты, такие как черные дыры, коричневые карлики, холодный газ и так далее. Просто они слишком далекие и тусклые, чтобы земные телескопы могли их разглядеть. Эта часть темной материи называется барионной — в честь барионов, то есть класса частиц, к которому относятся протоны и нейтроны. Именно из протонов и нейтронов состоят атомные ядра, а потому к барионной материи относится все знакомое нам обычное вещество.

Однако большинство специалистов склоняются к мысли, что львиная доля темной материи не может состоять из атомных ядер. После Большого взрыва просто не могло образоваться столько барионов, говорят они и приводят весьма убедительные расчеты. Так что предполагается, что большая часть темной материи состоит из неизвестных частиц, еще не открытых физиками-экспериментаторами. Эта загадочная субстанция вполне логично называется небарионной темной материей. Подчеркнем, что небарионная природа подавляющей части темной материи еще не доказана. Но эта гипотеза настолько авторитетна, что включена в господствующую модель Вселенной (ΛCDM-модель).

Однако и это еще не все. Главный ингредиент «космического винегрета» — темная энергия, ускоряющая расширение Вселенной. Существование этого дополнительного ускорения — хорошо проверенный факт, за открытие которого Брайан Шмидт и Адам Рисс в 2011 году удостоились Нобелевской премии по физике. А вот о природе вызывающей его темной энергии ученые продолжают спорить. Большинство экспертов считают, что это некое свойство вакуума или же пронизывающее пространство поле. Встречаются, однако, и более экзотичные версии.

Божественные пропорции

Сколько в мире барионной материи (то есть видимой и некоторой части темной), небарионной темной материи и темной энергии? В каких пропорциях смешан этот салат? Это важный вопрос, от которого зависит, например, как расширяется Вселенная и как образовались галактики и их скопления.

Для начала поясним, как сравнивают материю с энергией. Дело в том, что в любой массе заключена энергия, количество которой можно вычислить по знаменитой формуле Е = mc 2 . И, между прочим, это количество впечатляет: в одном грамме вещества заперто около двадцати килотонн в тротиловом эквиваленте. Пересчитав массу в энергию, космологи выясняют вклад барионного вещества, небарионной материи и темной энергии в полную энергию Вселенной. Такие расчеты проводились неоднократно и разными способами. Но авторы новой статьи использовали собственный путь.

Как взвесить Вселенную

Когда мир был юным, вещество было рассеяно по пространству гораздо более равномерно, чем сейчас. Под действием собственной гравитации оно стянулось в галактики и их скопления. Этот процесс очень сильно зависел от количества материи во Вселенной. Чем больше вещества (барионного и небарионного вместе взятого), тем чаще должны встречаться скопления галактик и тем более высокую массу они должны иметь. Исследователи смоделировали на компьютере образование скоплений галактик при разном количестве материи во Вселенной и сравнили результаты с данными наблюдений.

Это не новый метод, и он успел хорошо зарекомендовать себя. Но авторы внесли в него важное изменение. Они разработали и применили процедуру, которая помогает понять, принадлежит ли та или иная галактика к скоплению. Это непростой вопрос, поскольку при взгляде с Земли мы видим не трехмерную картину, а плоскую. Звездная система, которая кажется нам принадлежащей к кластеру, может на самом деле находиться перед ним или за ним.

Используя свой алгоритм, ученые индивидуально вычисляли массу каждого скопления. Этим их исследование отличается от работ предшественников, в которых использовалась средняя масса многих скоплений. Кроме того, астрономы опирались на собственный каталог скоплений галактик GalWCat19. В нем перечислены более 1800 кластеров, в которые входит в общей сложности более 38500 галактик. Свой каталог авторы сформировали по данным крупнейшего обзора SDSS, выбирая самые яркие и близкие скопления. Особенно важно, что они близкие. Их свет путешествовал до Земли не более 2,5 млрд лет. Это позволяет не делать поправку на расширение Вселенной и те перемены, которые могли произойти в этих кластерах со временем.

Наш мир пуст

Завершив расчеты, исследователи получили, что вся материя в целом (видимое вещество, барионная часть темной материи и ее небарионная часть вместе взятые) обеспечивают только 31% всей энергии во Вселенной. Остальные 69% приходятся на таинственную темную энергию. Отметим также, что, хотя из расчета авторов это и не следует, ранее было установлена доля привычной нам барионной материи среди всей материи Вселенной — она составляет всего 20%.

Результаты авторов не очень отличаются от данных, полученных другими методами. Некоторые измерения отводят темной энергии чуть большую долю космического пирога — более 70%. Другие останавливаются на 68%. Но так или иначе именно это загадочное нечто — по-прежнему самый большой резервуар энергии в космосе.

Совпадение результатов, полученных разными способами, — хорошее свидетельство их надежности. Другими словами, похоже, что Вселенная действительно устроена именно так.

Авторы приводят выразительный пример. Представим, что вся материя, в том числе и та, которая обычно считается небарионной, состоит из водорода. Сколько понадобилось бы атомов, чтобы обеспечить ее наблюдаемое количество? В среднем всего шесть атомов на кубический метр пространства. Для сравнения: в стакане воды больше атомов, чем стаканов воды в Мировом океане.

Считанные атомы на кубический метр — это не просто вакуум. Это настолько глубокий вакуум, что его создание лежит далеко за границами технических возможностей человечества. Если усреднить космос, получится пустота. Звезды, планеты и мы сами существуем только потому, что материя не рассеяна по пространству равномерно, а собрана в плотные комки, разделенные пустынными безднами. Возможно, понимание этого факта поможет человечеству осознать свою уникальность в космосе и еще раз удивиться чуду научного познания, позволяющего на основе наблюдений и компьютерных моделей постигать устройство мироздания.

Космические деньги: почему бизнесмены инвестируют в безвоздушное пространство

Источник

Спросите Итана №67: тёмная материя против тёмной энергии

Вселенная выглядит причудливо: изобилие галактик, множество кластеров, но нет ничего сильно больше по размеру. Почему она стала именно такой?

Мы неправдоподобно небрежно относимся к формированию наших верований, но находим в себе неоправданную страсть к ним, как только кто-то предлагает лишить нас их компании
— Джеймс Харви Робинсон

Конечно, у большинства из нас есть представления о том, как наша Вселенная стала такой, какая она есть. Но некоторые детали, неважно, насколько они научно обоснованы, сбивают с толку. На этой неделе мне задаёт вопрос Том Андерсон:

Тёмная материя притягивает, тёмная энергия отталкивает. Тёмная энергия непрерывно поддерживает расширение пространства между гравитационно связанными галактиками/кластерами, и текущее научное представление состоит в том, что она будет вечно расширяться, охлаждаться и всё закончится «большим замерзанием». Но гравитационно связанные системы не расширяются, и совместная сила тяготения тёмной и обычной материи равна или превосходит силе отталкивания тёмной энергии и обычной энергии. Почему же Вселенная вообще расширилась после Большого взрыва? Почему тёмная материя не оказала противодействия тёмной энергии в начале Вселенной?

Вопрос насыщенный, так что давайте разделим его на части.

Принципы работы Вселенной и формирования структур, таких, как звёзды, галактики и кластеры, находятся за пределами нашего бытового опыта. Если крайне упростить, то Вселенная состоит из расширяющегося пространства-времени, и скорость расширения начинается с какого-то значения, определённого физикой космической инфляции и тем, как заканчивается инфляционный период.

Но скорость расширения не остаётся постоянной по окончанию инфляции, поскольку Вселенная наполнена всякими другими формами энергии: излучением, материей, антиматерией, нейтрино, тёмной материей, и небольшим количеством присущей пространству энергии, известной, как тёмная энергия. Именно комбинация всего этого – меняющаяся с расширением Вселенной – определяет изменение скорости расширения во времени.

В глобальном масштабе, если взять всю Вселенную целиком, она либо реколлапсирует полностью, либо будет расширяться бесконечно, или окажется на границе этих двух случаев – в зависимости от того, какими именно окажутся соотношения всех различных форм энергии, присутствующих во Вселенной.

Во Вселенной, в которой мы живём, всё выглядит так, что она будет расширяться вечно, и в будущем тёмная энергия станет доминирующей силой.

Но этот анализ не работает на всех масштабах Вселенной: он лишь описывает сценарий на глобальном масштабе. Он говорит о том, что в нашем случае в будущем все объекты, не связанные друг с другом гравитацией, будут разлетаться друг от друга с ускорением.

Но остаются системы, связанные гравитацией, существующие на небольших масштабах в огромных количествах, на средних масштабах – в умеренных количествах, и на больших масштабах – редко, но встречающиеся. И все они оказываются частью одной космической истории.

Вселенная не родилась идеально гладкой, с абсолютно одинаковыми количествами материи, излучения, тёмной материи и тёмной энергии во всех местах. Если бы это было так, Вселенная была бы ужасно скучным, идеально однородным морем, где везде было бы всего одинаково. Не было бы звёзд, галактик, планет, пустот, людей, животных, жизни, кластеров, нитей.

Вместо этого, с самого начала времён во Вселенной были участки с повышенной и пониженной плотностью на всех масштабах: малых, средних и больших.

Тёмная материя помогает участкам с высокой плотностью расти, и они могут делать это достаточно быстро для того, чтобы сколлапсировать из-за гравитации, всего лишь за десятки миллионов лет. Всё идёт так, будто во Вселенной появились небольшие участки с такой большой плотностью, что если бы вся Вселенная была такой плотной, она бы довольно быстро реколлапсировала!

Конечно, во многих других участках плотность ниже средней, и они раздают свою материю участкам с высокой плотностью. Если бы вся Вселенная была такой же, как эти участки, у нас было бы очень, очень мало звёзд, галактик и кластеров.

Но именно это разнообразие начальных условий во Вселенной позволило нам получить разнообразие всего, что мы видим сейчас. В космической битве между тёмной материей и тёмной энергией, гравитации с расширением, в сражении космической «тяги», формирующей структуры, и космического «отталкивания», препятствующего этому, есть и победители, и проигравшие.

Мы легче замечаем победителей, поскольку они испускают и поглощают видимый свет и свет с других частей электромагнитного спектра, приводят к гравитационному линзированию, и поскольку наличие чего-либо легче обнаружить, чем отсутствие.

Но существуют и пустые участки, которые тоже имеют значение, и которых гораздо больше, чем «полных»! Суммарная сила притяжения тёмной и обычной материи может побороть и изначальное расширение, и дополнительную ускоряющую силу тёмной энергии, но только на небольших масштабах и в достаточно ранние времена.

Увеличивая масштаб, мы видим, что у отталкивания становится всё больше побед, а на самых больших масштабах оно выигрывает всегда.

Вселенная сначала расширялась из-за заданных инфляцией условий, и возможности реколлапсировать – благодаря гравитационному притяжению материи, тёмной материи, излучения и нейтрино – хватало для побед только в избранных местах. Притяжение победило не везде, а лишь в меньшинстве случаев, и проиграло в среднем.

Именно поэтому, наблюдая нашу Вселенную, мы видим множество разбросанных по ней галактик, многие из которых собрались в группы и большие скопления, а на больших масштабах они выстроились вдоль линий. Но эти группы, состоящие из тысяч галактик и простирающиеся на сотни миллионов световых лет, скорее всего, являются крупнейшими из связанных гравитацией структур. На более крупных масштабах все структуры временные, и наличие тёмной энергии, в конце концов, растащит их.

Если бы во Вселенной было чуть-чуть побольше тёмной материи – на 1/10 24 больше – она бы реколлапсировала миллиарды лет назад. Она очень долго была точно сбалансированной – с гравитацией, где-то побеждающей локально, где-то проигрывающей – но сейчас, когда тёмная энергия стала преобладать, мы видим, что её воздействие победит. Оно победит в конце, на крупнейших масштабах, и для всего, что не было связано гравитацией в первые семь, или около того, миллиардов лет жизни Вселенной.

Спасибо за прекрасный вопрос, и надеюсь, что объяснение было сделано понятно для вас и для остальных. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.

Читают сейчас

Редакторский дайджест

Присылаем лучшие статьи раз в месяц

Скоро на этот адрес придет письмо. Подтвердите подписку, если всё в силе.

Средняя зарплата в IT

AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Минуточку внимания

Комментарии 26

По текущим представлениям — одинаковая в теории и скорее всего одинаковая на практике. По крайне мере на больших масштабах (от миллионов световых лет и дальше), на малых фиксировать/наблюдать просто нечем ни напрямую ни косвенно, поэтому об локальной однородности/неоднородности сказать ничего нельзя.

Проверить — по основному проявлению. Как считается ТЭ приводит к расширению пространства с темпами зависящими как раз от ее плотности. Данные наблюдений за скоростью расширения до объектов (других галактик/групп галактик) находящихся на самых разных расстояниях и в разных направлениях от нас (наблюдателя) показывают, что скорость НЕ зависит от направления и

линейно зависит от расстояния. Т.е. если причина расширения пространства это ТЭ — то ее плотность должна быть везде одинаковой.

В однородной Вселенной давление не может оказывать «механического» влияния на её динамику.

Скажем, на Земле мы все испытываем атмосферное давление, но оно нас никуда не «расталкивает». Но у атмосферного давления есть небольшой вертикальный градиент (с высотой давление падает) — благодаря этому градиенту на все тела таки действуют сила, направленная вверх (архимедова сила), против градиента давления, позволяющая наполненным гелием шарикам взмывать ввысь. Но в масштабах Вселенной давление всюду однородно, градиента (и, следовательно, силы) нет.

На примере звёзд — каждая звезда получает излучение от других звёзд равномерно со всех сторон, так что излучение её никуда не выталкивает. (Да и масштабы не те.)

Ускорение/замедление расширения Вселенной полностью определяется гравитацией. Почему гравитационные силы, в отличие от сил давления (включая давление излучения звёзд), не уравновешиваются, несмотря на однородность — в двух словах не сказать; можете посмотреть мои комментарии к предыдущим выпускам Итана, где я описывал ньютоновскую модель расширения Вселенной. Дело в том, что однородность с гравитацией имеет место лишь при учёте принципа эквивалентности, при рассмотрении переходов в ускоренные СО; в каждой же конкретной СО всегда есть центр масс, притягивающий к себе все остальные объекты. (В ОТО, конечно, гравитация не является силой, и рассматривается обычно система координат, где не тела разлетаются, а само пространство расширяется; но в целом суть та же.)

В ОТО давление, наряду с плотностью энергии, тоже является источником гравитации, так что влияние на расширение оно оказывает — но не такое, как можно было бы интуитивно ожидать: положительное давление замедляет расширение. Так что излучение звёзд никак не может способствовать ускоренному расширению (у излучения давление положительное). Наоборот, оно объясняется _отрицательным_ давлением тёмной энергии.

«В глобальном масштабе, если взять всю Вселенную целиком, она либо реколлапсирует полностью, либо будет расширяться бесконечно, или окажется на границе этих двух случаев. »

Откуда такая философия? У нас Вселенная появилась около 14 млрд лет назад — как компактный, горячий расширяющийся объект. Это сразу рождает вопросы: где произошло это событие, в каком пространстве? И что было до этого события? Сжатие предыдущей Вселенной? Тем более, в каком пространстве происходит её вечная пульсация? Она в одиночку так пульсирует, или, учитывая наш опыт познания мира, следует допустить существование множества пульсирующих вселенных?
В общем, наша Вселенная, как однажды родившийся объект, уже не соответствует понятиям вечности и бесконечности. Им соответствует внешнее для неё пространство, назовём его сверхпространством. В нём, скорей всего, родилось и расширяется множество вселенных, соразмерных нашей.
Проследим, что будет с таким множеством, и поможет ли его допущение решить вопрос происхождения Вселенной.
Как в нашей, так и в соседних вселенных расширяется их энергетически плотный вакуум. И мы помним, что при его расширении плотность его не снижается, как у обычных сред. Откуда-то она постоянно возобновляется, и лишь свободное увеличение вселенского объёма вакуума позволяет сохранять его плотность неизменной — как космологическую постоянную.
Это значит, что когда в случайном центре первые вселенные соприкоснутся и начнут сжимать друг друга, то плотность их вакуума станет расти. Сразу расширяться под его влиянием вселенные не смогут, ведь на них давят всё новые и новые вселенные, которые сливаются с ними в один общий объём. Так образуется пространство более масштабной вселенной — макровселенной. Рост плотности её среды достигнет критической, и тогда начнётся её быстрое расширение — её Большой взрыв. Частицы материи в ней образуются из фотонов — разумных вселенных, успевших завершить полный цикл внутренней эволюции.
В вечном и бесконечном сверхпространстве таким путём возникнет множество возникнет макровселенных. Их расширение и последующее взаимное сжатие породит ещё более масштабные вселенные, и т.д. Предполагаем, что и пространство вселенных нашего масштаба тоже состоит из взаимно сжатых вселенных предыдущего масштаба — микровселенных. А их пространство — соответственно из ещё менее масштабных вселенных и т.д.
То есть существует бесчисленной множество не только вселенных, но и самих масштабов их пространств. В этом заключается сущность пятого измерения. Вероятно, что наша Вселенная и её ближайшее окружение возникло при флуктуации плотности пространства макровселенной. И у неё есть шанс эволюционировать в разумную Вселенную (единую систему вселенских цивилизаций). Став фотоном в макровселенной, она примет участие в её эволюции. В противном случае, она станет «квантом пространства» макровселенной и внутренне деградирует.
Вот варианты нашего будущего, которые объясняют и наше прошлое — происхождение Вселенной. И даже темп её расширения — замедление из-за предельного количества материи, а потом ускорение («медленный Большой взрыв») — свидетельствуют об этом.