Тёмная энергия Вселенной
Тёмная энергия — некий вид энергии, заполняющий Вселенную. Чёткого определения, что же это такое, нет. Можно сказать, что это динамическое поле с изменчивой энергетической плотностью. Но, что забавно, также можно сказать, что это неизменная энергетическая плотность.
Дабы узнать истину, необходимо провести множество высокоточных измерений. Поэтому пока что склоняются ко второй версии, но наверняка утверждать рано.
В любом случае, тёмная энергия распределена по всей Вселенной очень равномерно и занимает большую её часть — порядка 68% от общей массы-энергии.
Расширение вселенной и тёмная энергия
Открыта энергия была благодаря пониманию того, что Вселенная расширяется с ускорением. И хоть раньше считалось, что её расширение со временем замедляется, после тщательных исследований такая теория не оправдалась. Чтобы объяснить, почему же скорость со временем лишь растёт, было признано существование энергии с отрицательным давлением. Именно она заставляет Вселенную расширяться со всё большей скоростью.
Существование тёмной энергии также прекрасно решает «проблему невидимой массы».
Вселенная наша считается плоской (очень близка к этой форме, по крайней мере), но исходя из расчётов такого сказать было нельзя. Вселенная должна обладать определённой плотностью, чтобы быть плоской. Но все космические объекты, а также загадочная Тёмная материя дают лишь порядка 30% плотности Вселенной. Ну а с открытием тёмной энергии, стало возможным объяснить существование оставшихся 70% — они ей и принадлежат.
Что интересно, когда-то давно Вселенная расширялась с замедлением, то есть, когда-нибудь она могла бы остановить своё расширение совсем. Но, по мере того, как она расширялась, плотность тёмной и барионной материи уменьшалась (объём становился больше, и материя равномерно растягивалась), а вот плотность тёмной энергии практически не менялась. В итоге, порядка 5 миллиардов лет назад, тёмная энергия стала преобладать во Вселенной, в итоге чего расширение стало ускоряться.
А что в будущем?
Такое развитие событий, возможно, когда-нибудь приведёт к тому, что мы просто-напросто не сможем больше наблюдать за расширением Вселенной. Она будет расширяться быстрее скорости света, и мы просто не сможем увидеть этого.
Но, с другой стороны, её постоянное расширение может привести к тому, что тёмная энергия рассеется по Вселенной, из-за чего может сменить своё отталкивающие воздействие на притягивающее. Тогда Вселенная, наоборот, будет сужаться.
Предполагать можно различные варианты, но чтобы сказать что-то наверняка, нужно провести более точные исследования в этой области, что пока невозможно. Но со временем и эта тайна Вселенной, я уверен, будет раскрыта.
Межгалактическое пространство
Пространство между галактиками практически полностью разрежено. Оно содержит, по большей части, лишь межгалактическую пыль.
Галактики Вселенной
Галактики включают в свой состав огромное количество звёзд и звёздных систем, вместе с планетами и небесными телами, вращающихся вокруг них.
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
Естествознание.ру
Темная энергия
Как выяснилось, темная материя — это еще не все сюрпризы космологии! В 1999 году произошел еще один космологический переворот.
После революционных работ Фридмана и до конца ХХ века в космологии речь шла о выборе между тремя основными моделями Вселенной: замкнутой, параболической и гиперболической. Обратим внимание, что в любой из моделей расширение должно замедляться . Вопрос стоял так: достаточно ли во Вселенной материи, чтобы со временем расширение сменилось сжатием, или она так и будет расширяться до бесконечности?
Если попытаться измерить это замедление, то можно оценить среднюю плотность материи во Вселенной. Идея такова: наблюдая галактики, удаленные от нас на расстояние в 10 миллиардов световых лет, мы видим Вселенную такой, какой она была 10 миллиардов лет назад. В частности, мы видим, с какой скоростью она в то время расширялась. Сравнив эту скорость с текущей скоростью расширения Вселенной (измеренной для более близких галактик), мы можем определить, насколько снизилась эта скорость за несколько миллиардов лет и рассчитать таким образом замедление. Но беда в том, что у астрономов не было независимого способа измерения расстояний до самых далеких галактик — ведь после открытия закона Хаббла эти расстояния рассчитывали с помощью именно закона Хаббла, предполагая скорость расширения неизменной!
Только к концу ХХ века удалось, наконец, решить эту задачу. И результаты получились просто ошеломляющие: расширение Вселенной не замедляется, а убыстряется!
Единственно возможное объяснение этого ускорения: во Вселенной существует некая субстанция, обладающая антигравитацией. Антигравитация действует на разбегающиеся галактики и стремится еще более отдалить их друг от друга — из-за этого скорость расширения Вселенной возрастает. Эту таинственную субстанцию назвали темной энергией.
Темная энергия равномерно заполняет все пространство Вселенной и создает всемирное антитяготение. Обратите внимание: отталкиваются не сами космические тела — их расталкивает среда, в которую они погружены. Самое поразительное, что это всемирное отталкивание усиливается с ростом расстояния между телами, в отличие от гравитационного тяготения.
Чтобы представить себе величину силы всемирного отталкивания, создаваемого темной энергией, вообразим, что два атома водорода помещены в пространство, в котором нет ничего, кроме темной энергии. Антигравитация темной энергии будет сильнее гравитационного притяжения атомов, если расстояние между ними больше полуметра.
В окружающем нас космосе в каждом кубическом метре миллионы атомов, поэтому их обычное притяжение маскирует эффект темной энергии. В ранней Вселенной гравитация тоже была доминирующей силой. Но начиная с какого-то момента, из-за расширения Вселенной, плотность вещества стала так мала, что антигравитация темной энергии стала преобладать. Мы живем как раз в такую эпоху.
Есть еще один аргумент в пользу темной энергии. Тщательное изучение особенностей реликтового теплового излучения приводит к выводу, что мир наш в целом всё же не искривленный, а плоский, как в параболической модели. Но плотности материи (видимой и темной) имеется всего около четверти от критической. Нехватку плотности как раз может восполнить темная энергия.
Природа темной энергии, конечно же, главная загадка физики и космологии XXI века. Уже есть разные теории и догадки на этот счет. Поистине, космология и физика творятся сейчас на наших глазах.
Главный кандидат на роль темной энергии — физический вакуум. Согласно современной квантовой физике, вакуум — отнюдь не пустота, это «нулевые колебания» всех полей. Он имеет определенную плотность энергии. И вакууму действительно присуща антигравитация. Физический вакуум можно описать как особую сплошную среду, которая равномерно заполняет всю Вселенную и имеет всюду и всегда постоянную плотность, не изменяющуюся при расширении Вселенной, в отличие от плотности вещества. В современном мире плотность энергии вакуума составляет 70-75% от полной плотности энергии Вселенной.
Итак, мы живем в эпоху, когда антигравитация темной энергии уже доминирует над обычным тяготением, Вселенная расширяется ускоряющимися темпами и будет расширяться всё быстрее и быстрее, до бесконечности.
Источник