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
Почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии?
Говорят, что все частицы материи имеют симметричную частицу антиматерии. Они аналогичны, но с противоположными зарядами. Столкновение частиц вещества и антивещества приводит к аннигиляции. Так почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии, как так вышло? Сейчас разберемся.
Где все антивещество?
Один из самых важных и сложных вопросов современности – почему все, что мы наблюдаем, состоит лишь из материи, и где все антивещество? На самом деле, если бы материи и антиматерии было одинаковое количество, Вселенная давно бы аннигилировала и просто самоуничтожилась. Наука не стоит на месте и недавно было проведено исследование, результаты которого пролили свет на эту асимметричность.
Впервые понятие антиматерии прозвучало еще в девятнадцатом веке от английского физика Артура Шустера. Уже в двадцатом веке идею подхватил его британский коллега по цеху Поль Дирак и в 1928 году вывел теорию антивещества. Четырьмя годами позже Карл Андерсон, американский физик-испытатель (не путать с американским рестлером) открыл позитроны – положительно заряженные электроны. Они появляются при определенных радиоактивных процессах, как например, распад калия. То есть любое вещество, содержащее калий, с некой периодичностью рождает позитроны. Потом происходит аннигиляция и вспышка света, которая, естественно, на столько мала, что мы не можем заметить ее невооруженным взглядом.
Не для кого уже не секрет, что атомы состоят из кварков и лептонов – элементарных частиц. Последние включают в себя электроны, три различных нейтрино, мюоны и тау. Видов кварков также шесть: верхний, нижний, истинный, странный, очарованный и красивый. Не спрашивайте, просто примите это как факт. Это значит, что у каждой из этих частиц есть партнеры в антиматерии с противоположным зарядом.
По сути такие частицы должны быть идентичны частицам вещества, однако это не совсем так. Не всегда так. Простой пример – мезоны, состоящие из кварков и антикварков. Казалось бы, они должны просто аннигилировать, но мезон может обратиться антимезоном и обратно. В таком интересном событии кварки также становятся антикварками и наоборот.
Но чаще всего такой процесс возможен лишь в одну сторону – антивещество становится веществом. Вот поэтому во Вселенной больше материи, чем антиматерии. И со временем это соотношение лишь увеличивает свой разрыв.
Очарование асимметрии
Подобная асимметрия найдена лишь в странных и красивых кварках. Это на самом деле очень важное открытие, которое помогло предположить о существовании шести видов кварков еще в далеком 1964. Хотя на то время физики считали, что их всего три. И лишь в начале нашего века была открыта асимметрия красивых кварков, что только подтвердило наличие всех шести видов. За оба этих открытия были получены Нобелевские премии.
Как же все это работает? Красивый и странный кварки отрицательно заряжены. Кварк, несущий в себе положительный заряд – очарованный. Именно он и должен стать катализатором асимметрии материи и антиматерии во Вселенной, в теории, конечно же.
Еще больше приоткрыть завесу тайны помог БАК. Именно там ученые впервые обнаружили асимметрию мезонов, состоящих из очарованных частиц. D-мезоны сталкивали между собой на ускорителе и наблюдали за рождением очарованных частиц. В условиях эксперимента вероятность того, что это лишь случайное отклонение от нормы, ничтожно мала, примерно 50 на 1 000 000 000.
Что же получается, если это не тот же процесс, что в случае странного и красивого кварков, значит есть еще как минимум один, а может и больше, источников асимметрии материи и антиматерии во Вселенной. И это на самом деле очень важно, потому что такое малое количество известных механизмов сего процесса все равно не объясняет наличие такой огромной разницы в глобальных масштабах. Понятно, что одного такого открытия для ответа на вопрос будет мало, но все же это значительная часть пазла, которая поможет собрать его быстрее. А чем дальше продвигаются физики, тем больше им хочется продолжать, поэтому новые открытия тоже не заставят себя долго ждать. Очарование асимметрии касается не только кварков.
Следующие шаги
И что дальше? Каковы следующие шаги в изучении вопроса: Почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии? Так как открытие еще совсем свежее и пока не до конца понятое, его нужно правильно объяснить. А это означает появление новых теорий, исследований, тестирований и прочего, которые уже начали свою работу.
Данный эксперимент, проведенный на Большом адронном коллайдере, тоже будет совершенствоваться, чтобы улучшить точность измерений. В скором времени его должны объединить с японским экспериментов Bell II, который вот-вот запустится.
Антивещество также изучается и в других исследования. Не только антикварки, но даже антиатомы создаются на замедлителе ЦЕРН уже сейчас. И даже в космосе на МКС проводятся эксперименты, направленные на нахождение космической антиматерии. Также некоторые исследования планируется направить в сторону нахождения асимметрии матери-антиматерии в нейтрино.
Ответить на вопрос, заданный в заголовке данной статьи, полностью мы пока не можем. Но крайнее открытие значительно продвинуло человечество вперед. В конце концов, мы живем в эру высоких технологий, позволяющий проводить особо точные измерения и эксперименты, которые в конечном итоге обязательно принесут результаты. Возможно, когда-нибудь ученые смогут ответить нам, почему мы находимся здесь, как мы появились, и где все остальные.
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