Темная материя и темная энергия во Вселенной
Наличие невидимой темной энергии и материи во Вселенной уже звучит, как научная фантастика. Немного жутко, не правда ли? Трудно представить, что вокруг тебя есть что-то необнаружимое. Тем не менее, доказательства все же существуют. Все, что ты можешь заметить вокруг себя, например, камни или звезды, людей или галактики – материально. Это только пятнадцать процентов от общей части материи во Вселенной. Оставшиеся 85 % – это и есть темная материя. Название возникло из-за отсутствия поглощения, отражения и преломления света, поэтому последняя фактически невидима. И пока не появилось ничего, что способно было бы трактовать это в лучшей теории о Вселенной.
Астрономам также не видна такая материя, однако, они способны изучать ее эффекты, например, свет, который изгибается от гравитации. Им под силу также измерить быстрое вращение звезд вокруг собственных галактик.
Состав Вселенной
Процент темной материи во Вселенной составляет двадцать пять, простой барионной – пять, а энергии – 70%. Такое разделение дают теории современности. Главная задача барионной материи – образовывать все объекты, которые человек может наблюдать. Темная материя регистрируется только за счет гравитации. Оба понятия – это вещества, не взаимодействующие с фотонами. По мнению большинства современных ученых, их изучение позволяет ответить на глобальный вопрос: что можно ожидать нашей Вселенной в будущем?
Простыми словами о темной материи: что это такое?
Речь идет об обычном веществе, которое предрасположено к скплению, собирается в сгустки. Размер последних примерно, как галактика или их скопление. Материя участвует в различных гравитационных взаимодействиях. Высока вероятность, что в ее составе есть новые, но еще не открытые в земных условиях частицы.
Кроме космологической информации, пользу ее существования подтверждают измерения гравитационного поля линзированием. Как это происходит? Световые лучи искривляются из-за поля скопления. Другими словами, гравитационное поле выступает в качестве линзы. Порой можно увидеть несколько образов такой удаленной галактики.
Тёмная материя в астрономии трактуется как гипотетическая форма, которая не принимает участие в электромагнитных взаимодействиях и по этой причине недоступна прямому наблюдению. Понятие было введено, чтобы объяснить проблему скрытой массы, которая проявлялась в эффектах аномально высокой скорости вращения. Законы небесной механики позволяют с точностью выполнять любые вычисления касаемо небесных тел. По сути, материя объясняет наблюдаемую гравитационную аномалию – позволяет понять вращение галактик в уже имеющихся теориях. Точно также темная материя (далее – ТМ) трактуется и в теоретической физике.
Ее основные характеристики:
- находится под влиянием гравитационного воздействия;
- воздействует на прочие космические объекты;
- практически не взаимодействует с реальным миром.
Согласно измерениям массы скоплений, вклад материи составляет около двадцати пяти процентов в полной плотности энергии Вселенной. Точно такое же число получается, если сравнивать теории образования различных структур с наблюдением. Измерения также показали, что ТМ есть и в галактиках.
Кто открыл темную материю?
Первый намек на ее существование – представления Джордано Бруно. Он интуитивно полагал, что есть «бесчисленные и бесконечные» космические тела. Речь шла об объектах, которые ускользнули из универсальной системы Коперника. Простые звезды, которые не видны нам. Что касается планет, он считал, что их не видно, так как очень слабо светятся в отраженных лучах собственных светил.
92 года назад британским физиком Джеймсом Джинсом и голландским астроном Якобусом Катейном было обнаружено, что значительная часть галактического вещества не видна. Именно тогда впервые прозвучал данный термин.
А вес темной материи определили астрофизики – сорок или более гигаэлектронвольт (ГэВ).
Что известно о темной энергии?
Ее главное отличие от темной материи – неспособность собираться в сгустки. Энергия заполняет полностью Вселенную. Имеет отрицательное давление и была введена, чтобы объяснить расширение с ускорением матмодели Вселенной. Темная энергия имеет антигравитацию, так как разгоняет галактики по разные стороны. Ученые предполагают что это либо вакуум, либо новейшее сверхслабое поле, но полностью еще не разгадали эту загадку.
Про природу черных дыр и темной материи
Первые принято считать самым необъяснимыми объектами: концентрация масс вызывает коллапс. Происходит сжатие в малую точку атомов и ядер, а также других частиц. Все, что попало в черную дыру, останется там навсегда. Что ожидает концентрированную темную материю в момент встречи с ней? Каждая черная дыра увеличивается в размерах и поглощает любую материю и любой источник энергии, которые буду находиться слишком близко.
Когда такая область пространства-времени образуется впервые, в ее составе имеется стопроцентная обычная материя и совсем отсутствует темная. Помни, что последняя вступает во взаимодействие только гравитационно. Поэтому, ТМ – это источник пищи для черных дыр, но не самый лучший, так как никак не влияет на них.
Какие есть доказательства?
Многих часто волнует вопрос: как выглядит темная материя? Некоторые полагают, что она черная. Это не так. Ее считают темной, так как в прямом смысле слова – это «темная лошадка». До сих пор никто не знает, что это, не смотря на активные попытки понять. Отрицательный результат ученых – это тоже результат, так как по итогу отсеивается диапазон возможного. Ежегодно наблюдения и эксперименты рождают новые данные. Сужая круг поисков, ученые становятся на шаг ближе к раскрытию всех секретов, которые таит в себе галактическое пространство.
Доказательством того, что темная материя существует во Вселенной, является ее тяжесть. Каждая из частей последней притягиваются друг к другу. Это позволило ученым установить показатели сил гравитации и выявить значительный дисбаланс в параметрах, что и подтверждает существование невидимой материи.
Более того, последняя гравитационно влияет на прочие объекты. Например, от нее зависит траектория звездного и галактического движения. Галактики должны разлетаться по разным сторонам, но что-то их удерживает вместе. Не забывай и про феномен линзирования, как еще одно подтверждение существования темной энергии и материи во Вселенной.
Так как на этом интерес ученых не заканчивается, а только растет, появляются новые приспособления. Они позволяют получить более обширные представления о таком таинственном феномене. Одним из инструментом стал телескоп Хаббл, который помог обнаружить данные о размере и массе видимой Вселенной.
Источник
Темная материя и темная энергия
Что известно сегодня о темной материи? Почти ничего. И все же нет никаких сомнений в том, что она существует: об этом неопровержимо свидетельствуют многие научные факты, приведенные выше. Темная материя составляет 95% массы Вселенной.
Доказательством существования темной материи является ее сила гравитации, которая, словно клей, сохраняет целостность Вселенной, в том числе и галактик. Было обнаружено, что многие галактики вращаются быстрее, чем ожидалось. Согласно теории гравитации Эйнштейна, они должны разлетаться в разные стороны. Однако что-то невидимое будто удерживает их вместе.
О темной энергии можно сказать еще меньше, чем о темной материи. Во-первых, она равномерно распределена по Вселенной, в отличие от обычного вещества и темной материи. В галактиках и их скоплениях ее столько же, сколько вне их. Во-вторых, темная энергия обладает несколькими весьма странными свойствами. Например, она создает 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.
В общем, темная энергия представляет собой совершенно необычную субстанцию, абсолютно непохожую на все то, с чем имела дело физика до сих пор.
Источник
Темная энергия: таинственный двигатель Вселенной
На рубеже 21-го века произошел ряд космологических достижений, которые сыграли решающую роль в научном прогрессе. Концепция теории Большого взрыва непреднамеренно привела к открытию темной материи. Это, в свою очередь, свидетельствовало о существовании темной энергии, которая приводит к необъяснимому ускорению расширяющейся Вселенной.
От теории Большого Взрыва к темной материи и темной энергии
Когда была задумана теория Большого Взрыва, она дала ответы на множество вопросов, но также открыла для астрофизиков и физиков частиц множество новых вопросов. На некоторые вопросы ответила инфляционная гипотеза теории Большого взрыва. Но научное движение, начавшееся из-за теории Большого взрыва, натолкнулось на открытие, которое было совершенно необъяснимым.
Изучая гравитационные эффекты галактик, было обнаружено, что масса галактики на самом деле в шесть раз превышает массу видимых звезд в этой галактике. Остальная масса, большая часть массы в космосе, фактически невидима для нас; его гравитационные эффекты, однако, измеримы. Эта невидимая материя получила название темной материи.
Ученые с юмором начали называть частицы этой материи WIMP, или Слабо взаимодействующими массивными частицами. Они должны быть массивными, как предполагают их гравитационные эффекты. «Слабо взаимодействующие» в названии происходят из-за отсутствия у них других взаимодействующих сил.
WIMP теоретически необходимы для полного согласования наших существующих теорий материи, стандартной модели материи. В течение долгого времени физики экспериментировали с кварками и лептами, чтобы выяснить, как темная материя может существовать во Вселенной, но ответа на этот вопрос найдено не было.
Астрофизики не смогли увидеть их в реальном мире, несмотря на то, что некоторые из лучших умов были заняты их поиском.
Однако поиски не зашли в тупик. Например, расширение стандартной модели материи с помощью суперсимметрии могло бы объяснить существование темной материи.
Эта теория была настолько совершенна, что в 1990-х годах она достигла научного консенсуса. Однако, здесь было еще одно противоречие, которое озадачило научное сообщество того времени.
Аномалия расширения: открытие темной энергии
Гравитация является одной из четырех физических сил и единственной, которая работает на больших расстояниях. Это еще и сила притяжения.
Таким образом, вся материя во Вселенной должна притягивать всю другую материю во Вселенной силой гравитации, тем самым искривляя пространство-время, чтобы противостоять расширению, которое продолжается с самого большого взрыва. Это оставляло две возможные альтернативы для Вселенной в долгосрочной перспективе.
Во-первых, гравитационное притяжение во Вселенной достаточно велико, в силу наличия достаточного количества материи, чтобы остановить это расширение и повернуть вспять, чтобы Вселенная начала сжиматься. Этого сжатия могло быть достаточно, чтобы сделать плотность энергии настолько большой, что это могло бы вызвать еще один Большой взрыв, и Вселенная продолжила бы эту серию колебаний.
Другая возможность заключается в том, что не хватает материи, а следовательно, и гравитационной энергии, чтобы полностью остановить расширение Вселенной, хотя оно и замедлится. Вместо того чтобы сжиматься, расширение будет продолжаться до тех пор, пока плотность энергии не станет настолько мала, что она схлопнется сама на себя, создавая мертвую, холодную Вселенную.
Какая из двух возможностей будет реализована, зависит от энергии и материи, содержащихся во Вселенной.
Но произошла аномалия, о которой даже не мечтали. До сих пор рассматривались только эти два варианта: сжатие, последующий Большой взрыв и продолжающиеся колебания Вселенной, или замедление расширения, в конечном итоге ведущее к холодной мертвой Вселенной.
В 1998 году американские ученые Саул Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс обнаружили, что на самом деле все обстоит иначе: расширение Вселенной вовсе не замедляется, а, наоборот, ускоряется. В результате Вселенная расширяется с возрастающей скоростью.
Как такое могло случиться? Единственная известная сила, способная действовать на межзвездных расстояниях, — это гравитация, и это сила притяжения. Во всяком случае, это привело бы к снижению скорости расширения. Тем не менее тот факт, что расширение Вселенной ускоряется, был подтвержден много раз с 1998 года.
Единственным логическим объяснением было бы то, что за этим расширением должна стоять какая-то другая энергия. Что это за энергия, нам неизвестно. Но точно так же, как невидимая материя, увеличивающая массу вселенной, называлась темной материей, так и невидимая энергия, ускоряющая расширение вселенной, была названа темной энергией.
Что мы знаем о темной энергии?
Сходство между темной материей и темной энергией не заканчивается на имени. Как и в случае с темной материей, о темной энергии известно немногое. Мы не знаем, откуда на самом деле берется темная энергия и на что она похожа.
Что мы знаем, так это сколько ее должно быть, учитывая скорость ускорения во вселенной. И это много: нормальная материя и энергия, вещество, которое первоначально считалось всем, что есть во Вселенной, составляет только 5% от реальной вселенной. Темная материя составляет целую четверть, 25% всего содержимого Вселенной. А темная энергия, составляющая остальные 70%, составляет большую часть содержимого Вселенной. По сути, это означает, что подавляющее большинство, около 95%, нашей Вселенной невидимо для нас.
Но есть еще много вопросов на эту тему. Если бы темная энергия Вселенной была равномерно распределена, как любое другое энергетическое поле, она была бы разбавлена расширением, что привело бы к снижению скорости расширения с течением времени. Но это не было замечено до сих пор, подразумевая, что плотность темной энергии остается постоянной с течением времени.
Выход за пределы темной энергии
Темную энергию так трудно найти, потому что она не взаимодействует с нормальной материей, и то, что мы ничего о ней не знаем, делает ее такой аномалией. Существует установленная парадигма, картина реальности, которая регулируется как стандартной моделью, так и общей теорией относительности. Эта парадигма содержит материю, темную материю и темную энергию, хотя мы мало что знаем о большинстве содержания этой парадигмы.
И стандартная модель, и общая теория относительности безупречно предсказывают результаты, которые также были доказаны экспериментально. Тем не менее существует острая необходимость в теории, которая охватывала бы их обоих, примиряла бы их различия и, возможно, лучше отвечала бы на вопросы о строительных блоках Вселенной. Это создает потребность в теории всего, единой теории, которая, если бы она была задумана, могла бы объяснить функционирование вселенной таким образом, о котором раньше не думали.
Общие вопросы о темной энергии
Что такое темная энергия?
Темная энергия относится к таинственной энергии, которая отвечает за ускорение расширения Вселенной.
Что бы сделала Единая теория?
Единая теория необходима, чтобы свести воедино понимание стандартной модели и общей теории относительности, чтобы, возможно, обеспечить лучшее понимание темной материи и темной энергии.
Каков состав Вселенной?
Только 5% Вселенной состоит из нормальной материи и энергии, 25% состоит из темной материи, а большая часть, 70%, состоит из темной энергии.
Источник