Ученые подсчитали, сколько материи во Вселенной
29 сентября 2020
Ученые подсчитали общее количество материи во Вселенной, используя новый, более точный метод. Вычислив массу сотен скоплений галактик, команда обнаружила, что материя составляет менее трети содержимого Вселенной.
Содержимое Вселенной в процентах. Фото: news.ucr.edu
Все, что человек видит вокруг себя и с чем взаимодействуем в повседневной жизни, на самом деле составляет лишь малую часть того, что есть в космосе. Известно, что между массой материи и энергии существует неравное разделение. При этом большая часть материи является «темной». Обычная видимая материя составляет наименьшую часть Вселенной.
Новый расчет, проведенный группой ученых из Калифорнийского университета (США), предоставляет более точные данные. Согласно исследованию, материя составляет около 31,5% от общего содержимого Вселенной. Остальные 68,5% — это темная энергия, сила, которая, теоретически, движет ускорением расширения Вселенной.
«Чтобы представить это количество материи в контексте, если бы вся материя во Вселенной была равномерно распределена по пространству, это соответствовало бы средней плотности массы, равной примерно шести атомам водорода на кубический метр, — говорят авторы исследования. — Однако, поскольку известно, что большая часть материи на самом деле является темной материей, в общем объеме большая часть материи состоит не из атомов водорода, а из типа материи, который астрономы еще не открыли».
Чтобы прийти к такому выводу, исследователи разработали новый инструмент под названием GalWeight. Модель позволила исследователям вычислить массу скопления галактик, измеряя орбиты отдельных галактик. Модель соотнесли с данными о 756 скоплениях из проекта «Слоуновский цифровой небесный обзор». Затем команда сравнила результаты с моделированием формирования скоплений галактик.
Симуляции начинаются с разного количества вещества. Ученые фиксируют, какие смоделированные условия наиболее точно соответствуют современным наблюдениям. Так они могут определить наиболее вероятное количество вещества, содержащегося во Вселенной.
Моделирование того, как формируются скопления галактик. Фото: news.ucr.edu
«Нам удалось сделать одно из самых точных измерений, когда-либо сделанных с помощью метода скоплений галактик, — говорят авторы. — Более того, это первое использование орбиты галактики в расчетах».
Понимание эволюции Вселенной может в конечном итоге помочь астрономам раскрыть тайны темной материи и темной энергии.
Исследование было опубликовано в журнале The Astrophysical Journal.
Источник
Сколько материи во Вселенной на самом деле?
Из чего состоит Вселенная? Ответ на этот вопрос ученые ищут на протяжении десятилетий, но лишь недавно им удалось немного приблизиться к разгадке. Как это ни странно, но 2020 год оказался богат на научные открытия – так, в сентябре астрофизики обнаружили что материя составляет около 31% от общего количества материи и энергии в нашей Вселенной. Остальные же 69%, по мнению ученых, составляет темная энергия – таинственная сила, которая, как считается, ответственна за ускоряющееся расширение Вселенной. Следом, в ноябре, в свет вышла работа команды исследователей из Национального центра научных исследований Франции (CNRS), согласно которой 40% видимой материи во Вселенной (о существовании которой раньше мы не знали) скрыто в диффузных нитях гигантской, соединяющей галактики космической паутины. Рассказываем, что известно современной науке о составе Вселенной.
Французские исследователи предполагают, что так как нити космической паутины рассеяны, а сигналы, которые они испускают, слабы, 40% материи Вселенной оставалось незамеченным на протяжении 20 лет.
Барионы – частицы, состоящие из трех кварков, таких как протоны и нейтроны. Они составляют атомы и молекулы, а также все структуры, которые можно увидеть в наблюдаемой Вселенной (звезды, галактики, скопления галактик и т. д.).
Из чего состоит наша Вселенная?
Считается, что Вселенная состоит из трех типов вещества: нормальной материи, «темной материи» и «темной энергии». Нормальная материя состоит из атомов, из них же состоят звезды, планеты, люди и все другие видимые объекты в нашей Вселенной. Как ни унизительно это звучит, но нормальная материя почти наверняка составляет наименьшую долю Вселенной, где-то между 1% и 10%. Согласно популярной в настоящее время модели Вселенной 70% материи приходится на темную энергию, 25% – на темную материю и 5% – на нормальную материю.
Однако результаты нового исследования, опубликованного в журнале Astronomy & Astrophysics предполагают, что около 40% всей видимой материи Вселенной – той, что составляет все что мы можем видеть и осязать – обнаружено впервые. Команда ученых из Национального центра научных исследований Франции (CNRS) считает, что наконец-то обнаружила ее – скрытую в галактических нитях космической паутины.
Сегодня наших знаний о Вселенной недостаточно для того, чтобы с уверенностью сказать из чего она состоит.
Хотите всегда быть в курсе последних научных открытий в области космологии и астрофизики, подписывайтесь на наш канал в Google News чтобы не пропустить ничего интересного.
Сколько во Вселенной материи?
Астрофизики считают, что около 40% обычной материи, из которой состоят звезды, планеты и галактики, оставалось незамеченной (на протяжении 20 лет), скрытой в виде горячего газа в сетях космической паутины. Напомним, что космическая паутина состоит из галактик, распределенных по всей Вселенной в виде сложной сети узлов, соединенных нитями, которые, в свою очередь, разделены пустотами. Подробнее о том, что такое галактические нити и космическая паутина, читайте в нашем материале.
Считается, что нити космической паутины содержат почти всю обычную (так называемую барионную) материю Вселенной в виде рассеянного горячего газа. Однако сигнал, испускаемый этим диффузным газом, настолько слаб, что в действительности от 40% до 50% барионов остаются незамеченными.
Это недостающие барионы, скрытые в нитевидной структуре космической паутины и пытались обнаружить французские исследователи. Они провели статистический анализ, в ходе которого им впервые удалось выявить рентгеновское излучение горячих барионов в галактических нитях. Команда использовала пространственную корреляцию между положением нитей и связанным с ними рентгеновским излучением, чтобы предоставить доказательства присутствия горячего газа в космической паутине и впервые измерить его температуру.
Космическая паутина – это гигантское скопление галактик, соединенное между собой пустотами.
Полученные результаты подтверждают более ранние выводы той же исследовательской группы, основанные на косвенном обнаружении горячего газа в космической паутине путем его влияния на космическое фоновое микроволновое излучение (реликтовое излучение). Это открытие может проложить путь к более детальным исследованиям, использующим более качественные данные, чтобы проверить эволюцию газа в нитевидной структуре космической паутины. В общем, работы у ученых еще очень и очень много.
Возможно, мы так и не сможем разгадать все тайны Вселенной.
Кстати, недавно с помощью рентгеновской обсерватории Европейского космического агенства (ESA) XMM-Newton, астрономы показали, что скопления галактик в далекой Вселенной не похожи на те, что мы видим сегодня. Похоже, они испускают больше рентгеновских лучей, чем предполагали ученые. Оказалось, что эти скопления галактик изменили свой внешний вид со временем, а согласно расчетам, в прошлом скоплений галактик во Вселенной было меньше. Но о чем это говорит?
Исследователи считают, что в таком случае Вселенная должна быть средой высокой плотности, что противоречит современным представлениям. Этот вывод весьма спорен, потому что для объяснения этих результатов во Вселенной должно быть много материи – а это, в результате, оставляет мало места для темной энергии. Однако результаты французских исследователей показали, что эти выводы не такие уж и противоречивые. В конце-концов, если мы не могли разглядеть барионную материю в галактических нитях на протяжении 20 лет, кто знает, сколько еще материи Вселенной мы пока не видим?
Источник
Как мало: астрономы вычислили точное количество материи во Вселенной
В огромной Вселенной удивительно мало вещества.
Иллюстрация Pixabay
Доля тёмной энергии, небарионной тёмной материи и обычного вещества в полной энергии Вселенной. Перевод Вести.Ru.
Иллюстрация UCR/Mohamed Abdullah.
Моделирование показывает, каким было бы распределение скоплений галактик по космосу при различном вкладе материи (вместе обычной и тёмной) в общую энергию Вселенной. Перевод Вести.Ru.
Иллюстрация UCR/Mohamed Abdullah.
Специалисты подсчитали, сколько в космосе обычного вещества, тёмной материи и тёмной энергии. Это важнейший параметр Вселенной, влияющий на её дальнейшую судьбу.
Достижение описано в научной статье, опубликованной в издании Astrophysical Journal.
Звёзды, галактики, планеты, межзвёздный и межгалактический газ – это далеко не всё, что есть во Вселенной.
Гораздо больше в космосе так называемой тёмной материи, которая не наблюдается ни в какие телескопы и проявляет себя только своей гравитацией. Безусловно, некоторая её часть приходится на слишком тусклые объекты: чёрные дыры, коричневые карлики и так далее. Это так называемая барионная тёмная материя. Напомним, что барионы – это семейство частиц, в которое входят протоны и нейтроны, то есть частицы, составляющие атомное ядро.
Но, по мнению большинства специалистов, подавляющая часть тёмной материи – небарионная. Она состоит из ещё не открытых физиками-экспериментаторами частиц (и у теоретиков есть целый набор кандидатов на эту роль).
А кроме того, есть и тёмная энергия, которая придаёт расширению Вселенной ускорение. Большинство экспертов считает, что это некое поле или свойство вакуума, хотя есть и более экзотические гипотезы.
Сколько именно в мире этих трёх его компонентов: обычного вещества, небарионной тёмной материи и тёмной энергии? Это важнейший вопрос, ответ на который определяет прошлое и будущее Вселенной. И, разумеется, учёные не раз предпринимали такие расчёты. При этом массу обычно пересчитывают в энергию по знаменитой формуле E = mc 2 . Это позволяет сравнить между собой вклад вещества и тёмной энергии в полную энергию Вселенной.
Теперь команда исследователей из США и Египта применила для определения этого вклада новый и, как утверждают авторы, более точный метод.
Исследователи видоизменили хорошо зарекомендовавшую себя методику. Она опирается на подсчёт числа скоплений галактик и определение их масс.
Дело в том, что первоначально вещество было рассеяно по Вселенной гораздо более равномерно, чем сейчас. Оно долго собиралось в сгустки под воздействием собственной гравитации. Эти сгущения в конце концов и стали скоплениями галактик. И на этот процесс сильно влияло количество материи. Чем больше материи, тем чаще должны встречаться скопления галактик и тем больше должна быть их масса. Таким путём учёные рассчитали общий вклад барионной и небарионной материи в полное количество энергии во Вселенной.
Новшество заключалось в том, что авторы использовали собственный метод, позволяющий определить, относится ли та или иная галактика к скоплению. Это помогло им рассчитать массу каждого конкретного кластера, а не использовать косвенные данные об их средней массе.
Кроме того, учёные пользовались своим собственным каталогом GalWCat19. Он содержит данные о 1870 скоплениях, включающих в общей сложности более 38500 звёздных систем.
Выяснив суммарную долю материи, эксперты разделили её на вклад барионного и небарионного вещества, пользуясь результатами предшественников.
Оказалось, что 69% всей энергии во Вселенной приходится на тёмную энергию, и только 31% – на обычную и тёмную материю вместе взятые. Из материи же около 80% составляет небарионная тёмная материя, и только 20% – обычное вещество. Таким образом, обычное вещество обеспечивает всего около 6% всей энергии во Вселенной.
Авторы приводят такой пример. Если бы вся материя, обычная и тёмная, состояла из водорода, то её средняя плотность составила бы всего шесть атомов на кубический метр. Чтобы получить плотность обычного вещества, нужно взять 20% от этого числа. Получается чуть больше одного атома водорода на кубический метр. Вот какое скромное место занимает в космосе привычная материя.
Авторы подчёркивают, что их результаты хорошо согласуются с цифрами, полученными другими методами. А значит, наши знания о структуре Вселенной достаточно надёжны.
К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о том, сколько в космосе звёздного света. Писали мы и о том, как астрономы обнаружили пропавшую материю.
Источник
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