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
Как образовалась Вселенная
Что же такое Вселенная? Если емко, то это сумма всего существующего. Это все время, пространство, материя и энергия, образовавшиеся и расширяющиеся вот уже 13.8 миллиардов лет. Никто не может точно сказать, насколько обширны просторы нашего мира и пока нет точных предсказаний финала.
Определение Вселенной
Само слово «Вселенная» происходит от латинского «universum». Впервые его использовал Цицерон, а уже после него оно стало общепринятым у римских авторов. Понятие обозначало мир и космос. На тот момент люди в этих словах видели Землю, все известные живые существа, Луну, Солнце, планеты (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн) и звезды.
Иногда вместо «Вселенная» используют «космос», которое с греческого переводится как «мир». Кроме того, среди терминов фигурировали «природа» и «все».
В современном понятии вмещают все, что существует во Вселенной – наша система, Млечный Путь и прочие структуры. Также сюда входят все виды энергии, пространство-время и физические законы.
Одним из основных вопросов, которые не выходят из сознания человека, всегда был и является вопрос: «как появилась Вселенная?». Конечно же, однозначного ответа на данный вопрос нет, и вряд ли будет получен в скором времени, однако наука работает в этом направлении и формирует некую теоретическую модель зарождения нашей Вселенной.
Теории происхождения Вселенной
Креационизм: все создал Господь Бог
Среди всех теорий о происхождении Вселенной эта появилась самой первой. Очень хорошая и удобная версия, которая, пожалуй, будет иметь актуальность всегда. Кстати, многие ученые физики, несмотря на то что наука и религия часто представляются понятиями противоположными, верили в Бога.
Например, Альберт Эйнштейн говорил:
«Каждый серьезный естествоиспытатель должен быть каким-то образом человеком религиозным. Иначе он не способен себе представить, что те невероятно тонкие взаимозависимости, которые он наблюдает, выдуманы не им.»
Теория Большого Взрыва (модель горячей Вселенной)
Пожалуй, самая распространенная и наиболее признанная модель происхождения нашей Вселенной. Отвечает на вопрос — каким образом образовались химические элементы и почему распространённость их именно такая, какая сейчас наблюдается.
Согласно этой теории, около 14 миллиардов назад, пространства и времени не было, а вся масса вселенной была сосредоточена в крохотной точке с невероятной плотностью – в сингулярности. Однажды из-за возникшей в ней неоднородности, произошел так называемый Большой Взрыв. И с тех пор Вселенная постоянно расширяется и остывает.
Теория Большого взрыв
Первые 10 -43 секунды после Большого Взрыва называют этапом квантового хаоса. Природа мироздания на этом этапе существования не поддается описанию в рамках известной нам физики. Происходит распад непрерывного единого пространства-времени на кванты.
Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделения. Вещество начинает доминировать над излучением, возникает реликтовый фон.
Теория Большого Взрыва тверже встала на ноги после открытия космологического красного смещения и реликтового излучения. Два этих явления — самые весомые доводы в пользу правильности теории.
Также разделение вещества с излучением значительно усилило изначальные неоднородности в распределении вещества, в результате чего начали образовываться галактики и сверхгалактики. Законны Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.
Модель расширяющейся Вселенной
Сейчас доподлинно известно, что Галактики и иные космические объекты удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется.
Модель расширяющейся Вселенной описывает сам факт расширения. В общем случае не рассматривается, когда и почему Вселенная начала расширяться. В основе большинства моделей лежит общая теория относительности и её геометрический взгляд на природу гравитации.
Красное смещение – это наблюдаемое для далеких источников понижение частот излучения, которое объясняется отдалением источников (галактик, квазаров) друг от друга. Данный факт свидетельствует о том, что Вселенная расширяется.
Реликтовое излучение – это как бы отголоски большого взрыва. Ранее Вселенная представляла собой горячую плазму, которая постепенно остывала. Еще с тех далеких времен во Вселенной остались так называемые блуждающие фотоны, которые образуют фоновое космическое излучение. Ранее при более высоких температурах Вселенной данное излучение было гораздо мощнее. Сейчас же его спектр соответствует спектру излучения абсолютно твердого тела с температурой всего 2,7 Кельвин.
Теория эволюции крупномасштабных структур
Как показывают данные по реликтовому фону, в момент отделения излучения от вещества Вселенная была фактически однородна, флуктуации вещества были крайне малыми, и это представляет собой значительную проблему.
Вторая проблема — ячеистая структура сверхскоплений галактик и одновременно сфероподобная — у скоплений меньших размеров. Любая теория, пытающаяся объяснить происхождение крупномасштабной структуры Вселенной, в обязательном порядке должна решить эти две проблемы.
Современная теория формирования крупномасштабной структуры, как впрочем и отдельных галактик, носит названия «иерархическая теория».
Суть — вначале галактики были небольшие по размеру (примерно как Магеллановы облака ), но со временем они сливаются, образуя всё большие галактики.
В последнее время верность теории поставлена под вопрос.
Теория струн
Эта гипотеза в некоторой степени опровергает Большой взрыв в качестве начального момента возникновения элементов открытого космоса.
Согласно теории струн, Вселенная существовала всегда. Гипотеза описывает взаимодействие и структуру материи, где существует определенный набор частиц, которые делятся на кварки, бозоны и лептоны. Говоря простым языком, эти элементы являются основой мироздания, поскольку их размер настолько мал, что деление на другие составляющие стало невозможным.
Отличительной чертой теории о том, как образовалась Вселенная, становится утверждение о вышеупомянутых частицах, которые представляют собой ультрамикроскопические струны, которые постоянно колеблются. Поодиночке они не имеют материальной формы, являясь энергией, которая в совокупности создает все физические элементы космоса.
Примером в данной ситуации послужит огонь: глядя на него, он кажется материей, однако он неосязаем.
Хаотическая теория инфляции — теория Андрея Линде
Согласно данной теории существует некоторое скалярное поле, которое неоднородно во всем своем объеме. То есть в различных областях вселенной скалярное поле имеет разное значение. Тогда в областях, где поле слабое – ничего не происходит, в то время как области с сильных полем начинают расширяться (инфляция) за счет его энергии, образуя при этом новые вселенные.
Такой сценарий подразумевает существование множества миров, возникших неодновременно и имеющих свой набор элементарных частиц, а, следовательно, и законов природы.
Теория Ли Смолина
Эта теория достаточно известна и предполагает, что Большой Взрыв не является началом существования Вселенной, а – лишь фазовым переходом между двумя ее состояниями. Так как до Большого Взрыва Вселенная существовала в форме космологической сингулярности, близкой по своей природе к сингулярности черной дыры, Смолин предполагает, что Вселенная могла возникнуть из черной дыры.
Эволюция Вселенной
Как происходил процесс развития и эволюции Вселенной? В течение следующих миллиардов лет гравитация заставила более плотные области притягиваться. В этом процессе формировались газовые облака, звезды, галактические структуры и прочие небесные объекты.
Этот период именуют Структурной Эпохой, так как именно в этот временной отрезок зарождалась современная Вселенная. Видимое вещество распределялось на различные формирования (звезды в галактики, а те в скопления и сверхскопления).
Что было до появления Вселенной
Сложно представить время за 13,7 миллиардов лет до сегодняшнего дня, когда вся Вселенная представляла собой сингулярность. Согласно теории Большого взрыва, один из главных претендентов на роль объяснения того, откуда появилась Вселенная и вся материя в космосе — все было сжато в точку, меньшую, чем субатомная частица. Но если это еще можно принять, задумайтесь вот о чем: что же было до того, как случился Большой взрыв?
Этот вопрос современной космологии уходит корнями еще в четвертое столетие нашей эры. 1600 лет назад теолог Августин Блаженный как и один из лучших физиков 20 века Альберт Эйнштейн пытались понять природу до сотворения Вселенной. Они пришли к выводу , что просто не было никакого «до».
В настоящее время человеком выдвигаются различные теории.
Теория Мультивселенной
Что если наша Вселенная является потомком другой, старшей Вселенной? Некоторые астрофизики полагают, что пролить свет на эту историю поможет реликтовое излучение, оставшееся от большого взрыва.
Согласно этой теории, в первые мгновения своего существования Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться. Также теория объясняет температуру и плотность флуктуаций реликтового излучения и подсказывает, что эти флуктуации должны быть одинаковыми.
Но, как выяснилось, нет. Последние исследования дали понять, что Вселенная на самом деле однобока, и в некоторых областях флуктуаций больше, чем в других. Некоторые космологи считают, что это наблюдение подтверждает, что у нашей Вселенной была «мать»(!)
В теории хаотической инфляции эта идея приобретает размах: бесконечный прогресс инфляционных пузырьков порождает обилие вселенных, и каждая из них порождает еще больше инфляционных пузырьков в огромном количестве Мультивселенных.
Теория белых и черных дыр
Тем не менее, существуют модели, которыми пытаются объяснить образование сингулярности до большого взрыва. Если вы думаете о черных дырах как о гигантских мусоросборниках, они являются главными кандидатами первоначального сжатия, поэтому наша расширяющаяся Вселенная вполне может быть белой дырой — выходным отверстием черной дыры, и каждая черная дыра в нашей Вселенной может вмещать в себя отдельную вселенную.
Большой скачок
Другие ученые считают, что в основе формирования сингулярности лежит цикл под названием «большой скачок», в результате которого расширяющаяся вселенная в итоге коллапсирует сама в себя, порождая другую сингулярность, которая, опять же, порождает другой большой взрыв.
Этот процесс будет вечным, и все сингулярности и все схлопывания не будут представлять собой ничего другого, кроме как переход в другую фазу существования Вселенной.
Теория циклической Вселенной
Последнее объяснение, которое мы рассмотрим, использует идею циклической Вселенной, порожденной теорией струн. Она предполагает, что новая материя и потоки энергии появляются каждые триллионы лет, когда две мембраны или браны, лежащие за пределами наших измерений, сталкиваются между собой.
Что было до Большого взрыва? Вопрос остается открытым. Может быть, ничего. Может, другая Вселенная или другая версия нашей. Может, океан Вселенных, в каждой из которых — свой набор законов и констант, диктующих природу физической реальности.
Проблемы современных моделей рождения и эволюции Вселенной
Многие теории, касающиеся Вселенной в последнее время сталкиваются с проблемами, как теоретического, так и, что более важно, наблюдательного характера:
- Вопрос о форме Вселенной является важным открытым вопросом космологии. Говоря математическим языком, перед нами стоит проблема поиска трёхмерного пространственного сечения Вселенной, то есть такой фигуры, которая наилучшим образом представляет пространственный аспект Вселенной.
- Неизвестно, является ли Вселенная глобально пространственно плоской, то есть применимы ли законы Евклидовой геометрии на самых больших масштабах.
- Также неизвестно, является ли Вселенная односвязной или многосвязной. Согласно стандартной модели расширения, Вселенная не имеет пространственных границ, но может быть пространственно конечна.
- Существуют предположения, что Вселенная изначально родилась вращающейся. Классическим представлением о зарождении является идея об изотропности Большого взрыва, то есть о распространении энергии одинаково во все стороны. Однако появилась и получила некоторое подтверждение конкурирующая гипотеза о наличии изначального момента вращения Вселенной.
Видео
Источник