Очень темные дела: как объяснить ускоренное расширение Вселенной
Природа темной энергии является предметом ожесточенных споров. Открытый чуть менее чем тридцать лет назад, невидимый компонент Вселенной все еще не получил единого объяснения. Пришло время разобраться: почему темная энергия вызывает столько проблем, и как ученые пытаются ее детектировать?
Форма вселенной
С хорошей степенью точности наша Вселенная пространственно-однородна и изотропна – она не содержит «особых» точек и направлений, относительно которых ее свойства меняются. Такое пространство создать непросто: необходимо поддерживать определенную плотность энергии всех входящих в нее компонентов.
Уже в 1980-х годах ученым была точно известна так называемая критическая плотность, обеспечивающая пространственно-плоскую Вселенную. Но полученные результаты измерения количества барионного вещества в галактических кластерах совместно с плотностью, которую мог обеспечить Большой взрыв, скорее указывали на низкую плотностью материи в пространстве.
Также о недостатке материи говорил возраст шаровых скоплений – весьма немолодых конгломератов звезд. Оказалось, что такие скопления родились как минимум 10 миллиардов лет назад: но при наблюдаемом количестве вещества после Большого взрыва расширение Вселенной должно было постепенно замедляться и в целом оценка ее возраста была меньше. Наш мир оказывался моложе, чем его составляющие.
Сверхновые типа Ia
Окончательно убедить ученых в необходимости поиска нового источника энергии во Вселенной смогли сверхновые типа Iа – звезды, жизненный цикл которых заканчивается вспышкой, настолько интенсивной, что ее возможно наблюдать на Земле.
Две команды ученых, Supernova Cosmology Project, руководителем которого был Сол Перлмуттер, и High-Z Supernova Research Team, возглавляемый Брайаном Шмидтом, предложили процедуру использования самых мощных телескопов в мире для изучения сверхновых.
Прорыв совершил Марк Филлипс, астроном, работающий в Чили: он предложил новый способ определения внутренней светимости сверхновых типа Ia, которая напрямую связана с расстоянием до небесного тела. С другой стороны, расстояние до некоторых из звезд можно было определить с помощью закона Хаббла, описывающего изменение длины волны излучаемых объектом фотонов вследствие расширения Вселенной.
Оказалось, что сверхновые в далеких галактиках гораздо более «бледные»: их светимость была сильно меньше предсказанной исходя из расстояния, рассчитанного по закону Хаббла. Иными словами, сверхновые должны были находится гораздо дальше: так ученые впервые предположили, что Вселенная не просто расширяется, а с некоторым ускорением.
Наблюдение далеких сверхновых типа Ia в одночасье перевернуло представление ученых о Вселенной. Исследования показали, что около 70 % плотности энергии составляет новый, неизвестный компонент с отрицательным давлением.
Термин «темная энергия» предложил позднее космолог Майкл Тeрнер, а перед учеными встала новая загадка: объяснить природу еe возникновения.
Можно ли объяснить ускоренное расширение Вселенной?
В настоящее время существуют три класса теорий, претендующих на роль темной энергии. Первый вариант постулирует наличие энергии у вакуума: по сути дела это стало возвращением к космологической постоянной, предложенной Эйнштейном для поддержания статической Вселенной. В новом варианте плотность вакуума одинакова во всем пространстве, но не исключается, что она могла меняться со временем.
Второй вариант, получивший название квинтэссенции, предложенный немецким физиком Кристофом Веттерихом, предполагает наличие нового поля – фактически, новых частиц, вносящих вклад в общую плотность Вселенной. Энергия таких частиц уже не только изменяется со временем, но и в пространстве: для того, чтобы сильные колебания плотности темной энергии отсутствовали, частицы должны быть достаточно легкими. В этом, пожалуй, состоит основная проблема квинтэссенции: предложенные варианты частиц, согласно основным принципам современной физики, не могут оказываться легкими, а наоборот, приобретать значительную массу, и на данный момент никаких указаний на этот сценарий не получено.
К третьему варианту относятся различные теории модифицированной гравитации, в которой взаимодействие между массивными объектами не подчиняется стандартным законам Общей теории относительности (ОТО). Существует великое множество модификаций гравитации, но к настоящему времени отклонения от ОТО в экспериментах не были обнаружены.
Темная энергия, несмотря на огромный вклад в состояние Вселенной, упорно «прячется» от наблюдателей, и изучаются лишь косвенные проявления ее свойств. Среди них основную роль играют барионные акустические осцилляции, анизотропия реликтового излучения и слабое гравитационное линзирование.
Барионные акустические осцилляции
Барионные акустические осцилляции, или, сокращенно, БАО – наблюдаемое периодическое изменение плотности обычного, барионного вещества на больших масштабах. В первоначальной, горячая космической плазме, состоявшей из барионов и фотонов, конкурировали два процесса: гравитационное притяжение, с одной стороны, и отталкивание за счет высвобождения энергии при реакциях между веществом и фотонами – с другой. Подобное «противостояние» приводило к акустическим колебаниями, подобно звуковым волнам в воздухе между областями с различной плотностью.
При остывании Вселенной в определенный момент произошла рекомбинация – отдельным частицам стало выгоднее образовывать атомы, а фотоны фактически стали «свободными» и отделились от вещества. При этом вследствие колебаний вещество успело разлететься на некоторое определенное расстояние, называемое звуковым горизонтом. Последствия наличия горизонта в настоящее время наблюдаются в распределении галактик во Вселенной.
Сам по себе звуковой горизонт – величина, предсказываемая космологически. Он напрямую зависит от параметра Хаббла, определяющего скорость расширения Вселенной, который в свою очередь определяется и параметрами темной энергии.
Реликтовое излучение
Микроволновое реликтовое излучение – дальний «отголосок» Большого взрыва, равномерно заполняющие Вселенную фотоны с практически одинаковой энергией. В настоящее время именно реликтовое излучение является основным источником ограничений на различные космологические модели.
Однако, с увеличением чувствительности инструментов было обнаружено, что реликтовое излучение анизотропно и имеет неоднородности – с каких-то направлений приходит несколько больше фотонов, чем с других. Такое различие в том числе также вызвано наличием неоднородностей в распределении вещества, и масштаб распределения «горячих» и «холодных» пятен на небе определяется свойствами темной энергии.
Слабое гравитационное линзирование
Еще один важный для исследования темной энергии эффект – гравитационное темное линзирование – состоит в отклонении пучков света в поле вещества. Линзирование одновременно позволяет изучать структуру Вселенной и её геометрию, то есть форму пространства-времени.
Существуют различные виды гравитационного линзирования, среди которых наиболее удобным для изучения темной энергии является слабое линзирование за счет отклонения света крупномасштабной структурой Вселенной – это приводит к размыванию изображений далеких галактик.
Темная энергия одновременно влияет как на свойства источника, например расстояние до него, так и на свойства искажающего картинку пространства. Поэтому слабое линзирование, с учетом постоянно обновляющихся астрономических данных, является вдвойне важным способом постановки ограничений на свойства темной энергии.
Темная энергия – по прежнему в тени
Подведем итоги, что же удалось узнать физикам за практически тридцатилетний стаж изучения темной энергии?
С большой точностью известно, что темная энергия обладает отрицательным давлением: более того, уравнение зависимости давления от плотности энергии определено с большой достоверностью, и такими свойствами не обладает ни одна другая известная нам среда.
Темная энергия пространственно-однородна, а ее вклад в плотность энергии стал доминирующим относительно недавно – около пяти миллиардом лет назад; при этом она влияет одновременно и на расстояния между объектами и на саму структуру Вселенной.
Различные космологические эксперименты позволяют изучать темную энергию, но в настоящее время ошибки измерения слишком велики, чтобы делать точные предсказания. Пока что ученые еще явно далеки от ответа на вопрос о природе темной энергии, которая многие миллиарды лет тайно управляет устройством Вселенной.
Источник
Ускоренное расширение Вселенной объяснили самовзаимодействием темной материи
Космологическое ускорение частицы расширяющейся Вселенной (в относительных единицах) в зависимости от масштабного фактора в симуляциях со взаимным отталкиванием частиц темной материи (цветные точки) и в теоретической модели с космологической постоянной (сплошная линия).
Loeve K., Nielsen K. S. & Hansen S. H. / The Astrophysical Journal, 2021
Физики с помощью симуляций протестировали альтернативную модель ускоренного расширения Вселенной — отказались от космологической постоянной и постулировали существование сил отталкивания между частицами темной материи, которые действуют на масштабах порядка мегапарсеков и по величине пропорциональны квадрату дисперсии скоростей. Оказалось, что такой подход позволяет воспроизвести поведение Вселенной в общепринятой модели с космологической постоянной. Статья опубликована в The Astrophysical Journal.
Современные астрофизические наблюдения показывают, что Вселенная расширяется ускоренно — то есть удаленные галактики со временем разлетаются все быстрее. Этот факт требует физической интерпретации, ведь гравитация — взаимодействие, которое считается доминирующим на крупных масштабах, — лишь притягивает объекты друг к другу. В стандартной космологической модели ускоренное расширение описывают при помощи космологической постоянной — величины, которая описывает плотность энергии чистого вакуума (темной энергии) в уравнениях Общей теории относительности и обеспечивает отталкивание между далекими объектами.
Такой подход удобен, поскольку позволяет объяснять наблюдения, постулируя в модели всего один числовой параметр, однако у него есть и существенные недостатки. Так, космологическую постоянную приходится подбирать на основе самих же наблюдений и не удается вычислить независимо — например, в рамках квантовых представлений энергия вакуума оказывается на множество порядков выше, или вообще не может быть предсказана.
Это мотивирует ученых придумывать альтернативные модели, которые объясняли бы ускоренное расширение Вселенной, но не привлекали для этого космологической постоянной. Некоторые физики предлагают модифицировать теорию гравитации, другие — предположить, что расширение Вселенной неоднородно, а мы просто оказались в области, которая расширяется быстрее среднего, третьи — отказаться от ускоренного расширения как такового и искать ошибку в измерениях, которые о нем свидетельствуют. Тем не менее модель с космологической постоянной пока остается предпочтительной.
Физики из Института Нильса Бора под руководством Стина Хансена (Steen Hansen) предложили и проанализировали еще одно объяснение ускоренному расширению Вселенной. Авторы предположили, что темная материя, помимо гравитационного притяжения друг к другу и обычным частицам, испытывает еще и силу самоотталкивания, которая проявляется на межгалактических масштабах (порядка мегапарсеков).
Эту силу исследователи положили пропорциональной квадрату дисперсии скоростей частиц в галактиках (что делает ее в некотором смысле похожей на магнитную силу Лоренца между движущимися заряженными частицами) и обратно пропорциональной квадрату расстояния между разлетающимися галактиками (подобно гравитационной или кулоновской силе). Остальные параметры (кроме космологической постоянной, принятой равной нулю) физики позаимствовали из общепринятой модели.
Затем авторы проводили компьютерные симуляции эволюции распределения темной матери в области размером в 96 мегапарсеков, заполненной 2,1×10 6 частицами массами в 1,6×10 9 солнечных, между красными смещениями в z=20 и z=0,6 (в стандартной космологии последнее отвечает масштабу, на котором происходит переход от гравитационного замедления к космологическому ускорению). При этом числовой коэффициент, характеризующий величину отталкивания между частицами, исследователи подбирали так, чтобы результаты симуляции наилучшим образом описывались теорией с участием космологической постоянной.
Оказалось, что с помощью альтернативной модели можно воспроизводить прогнозы, которые дает стандартная космология — а значит, вероятно, и объяснять данные наблюдений. При этом, однако, не удается заменить пропорциональность силы квадрату дисперсии скоростей на линейный или кубический закон — оба случая дают существенное расхождение с общепринятой теорией.
Согласованность альтернативных космологических моделей со стандартной: если отталкивание пропорционально первой или третьей степени дисперсии скоростей, наблюдаются существенные расхождения.
Loeve K., Nielsen K. S. & Hansen S. H. / The Astrophysical Journal, 2021
Источник
Глава 33. Ускоренное расширение Вселенной. Темная материя и темная энергия.
В истории науки встречались ситуации, когда движение небесных тел не подчинялось законам небесной механики; как правило, это явление находило объяснение в существовании неизвестного материального тела (или нескольких тел). Именно так были открыты планета Нептун и звезда Сириус B. В 1922 году астрономы Джеймс Джинс и Якоб Каптейн исследовали движение звезд в нашей Галактике и пришли к выводу, что большая часть вещества в галактике невидима; в этих работах, вероятно, впервые появился термин «темная материя» (англ. dark matter). Ян Оорт использовал тот же термин в статье 1932 года.
Швейцарский астроном Фриц Цвиккив 1933 году измерил скорости, с которыми галактики скопления Волосы Вероники (а это одно из самых больших известных нам скоплений, оно включает в себя тысячи галактик) движутся вокруг общего центра. Результат получился обескураживающим: скорости галактик оказались гораздо больше, чем можно было ожидать, исходя из наблюдаемой суммарной массы скопления. Это означало, что истинная масса скопления Волосы Вероники гораздо больше видимой. Но основное количество материи, присутствующей в этой области Вселенной, остается по каким-то причинам невидимой и недоступной для прямых наблюдений, проявляя себя только гравитационно, то есть только как масса.
Вскоре другие астрономы пришли к таким же выводам для многих других галактик. Особенный интерес вызвала Туманность Андромедыв 1939 — скорость вращения звезд вокруг ее центра не уменьшалась, как предсказывала небесная механика, обратно пропорционально расстоянию до центра, а оставалась почти постоянной. Это могло означать, что галактика на всем своем протяжении содержит значительную массу невидимого вещества («галактическое гало»).
Через 40 лет после работ Цвикки, в 70-е годы, американский астроном Вера Рубин изучала скорости вращения вокруг галактического центра вещества, расположенного на периферии галактик. В соответствии с законами Кеплера (а они напрямую следуют из закона всемирного тяготения), при движении от центра галактики к ее периферии скорость вращения галактических объектов должна убывать обратно пропорционально квадратному корню из расстояния до центра. Измерения же показали, что для многих галактик эта скорость остается почти постоянной на весьма значительном удалении от центра. Эти результаты можно истолковать только одним способом: плотность вещества в таких галактиках не убывает при движении от центра, а остается почти неизменной. Поскольку плотность видимого вещества (содержащегося в звездах и межзвездном газе) быстро падает к периферии галактики, недостающую плотность должно обеспечивать нечто, чего мы по каким-то причинам увидеть не можем.
Рис.33/1. Несоответствие распределению скоростей в галактике по законам Кеплера и реальным наблюдениям.
Для количественного объяснения наблюдаемых зависимостей скорости вращения от расстояния до центра галактик требуется, чтобы этого невидимого «чего-то» было примерно в 10 раз больше, чем обычного видимого вещества. Это «нечто» получило название «темная материя» (по-английски «dark matter») и до сих пор остается самой интригующей загадкой в астрофизике.
Начиная с 1960-х годов, когда начался бурный прогресс наблюдательных средств астрономии, число аргументов в пользу существования темной материи быстро росло. При этом оценки ее параметров, полученные из разных источников и разными методами, в целом согласуются между собой.
1.Описанное выше неубывание скорости вращения звезд оказалось не аномалией, а типичной ситуацией в мире галактик.
2.При исследовании движения спутников галактик и близко расположенных шаровых скоплений было подтверждено, что общая масса каждой галактики в несколько раз превышает суммарную массу ее звезд.
3.Было проведено изучение движения в системах двойных галактик и в галактических скоплениях. Оказалось, что в этих масштабах доля темной материи намного выше, чем внутри галактик.
4.Звездная масса эллиптических галактик, согласно расчетам, недостаточна для удержания входящего в галактику горячего газа, если не учесть темную материю.
С данной проблемой также тесно связана проблема дефицита карликовых галактик (также известная как «проблема исчезнувших карликовых галактик-спутников»). Суть ее в том, что число карликовых галактик (по отношению к числу обычных галактик) на целый порядок меньше числа, которое должно быть согласно моделированию по иерархическому распределению структур темной материи. Есть два возможных решения проблемы:
1) карликовые галактики разрушаются приливными силами более крупных галактик;
2) карликовые галактики просто не видны, так как их темная материя не в состоянии привлечь достаточное количество барионной материи, чтобы они стали видимыми.
Второе решение частично подтверждается недавним (2007 год) открытием обсерваторией Кек восьми ультра-тусклых карликовых галактик — спутников Млечного Пути. Шесть из них на 99,9 % состоят из темной материи (соотношение «массы к свету» составляет около 1000).
Рис.33/2. Открытие карликовых галактик – спутников Млечного Пути. (Материалы НАСА, обсерватория Кек, Гавайские острова).
У галактик обнаружилась минимальная масса — какой бы крохотной на вид она не казалась, она не может быть легче 10 миллионов масс Солнца. Весь недобор звездной массы компенсирует темная материя,
Рис.33/3. Противоречие между светимостью карликовых галактик и их массой.
Три спутника Млечного Пути — Уилман-1 (W1), вторая карликовая галактика в созвездии Льва (Leo II) и карликовая галактика в созвездии Печи (Fornax). Несмотря на разительные отличия внешнего вида, 25-кратную разницу линейных масштабов и 10 000-кратную разницу в светимости, у всех этих галактик масса — около 10 миллионов масс Солнца.
Доказательства существования темной материи.
Одно из доказательств присутствия темной материи в нашем мире — компьютерные расчеты, моделирующие процесс формирования галактик, который начался примерно через 300 тысяч лет после начала Большого взрыва. Эти расчеты показывают, что вещество просто не должно было собраться в галактики, которые мы тем не менее наблюдаем в современную эпоху, из-за несоответствия скорости движения материи и ее массы. Эта проблема получила название галактического парадокса, и долгое время ее считали серьезным аргументом против теории Большого взрыва. Однако, если предположить, что частицы обычного вещества в ранней Вселенной были перемешаны с частицами невидимой темной материи, то расчетыпоказывают возможность формирования галактик из звезд, а затем скоплений из галактик. При этом, как показывают вычисления, сначала в галактики скучивалось огромное количество частиц темной материи и только потом, за счет сил тяготения, на них собирались элементы обычного вещества, общая масса которого составляла лишь несколько процентов от полной массы Вселенной.
Рис.33/4. Гравитационное линзирование.
Скоплении галактик Abell 1689. HST. Галактики самого скопления изображены желтым цветом. Галактики на заднем фоне (синие и красные) изогнуты в длинные дуги (видно при увеличении снимка).
О наличии скрытой массы в скоплениях галактик свидетельствуют также эксперименты по так называемому гравитационному линзированию. Объяснение этого явления следует из теории относительности. В соответствии с ней, любая масса деформирует пространство и подобно линзе искажает прямолинейный ход лучей света. Искажение, которое вызывает скопление галактик, столь велико, что его легко заметить. В частности, по искажению изображения галактики, которая лежит за скоплением, можно рассчитать распределение вещества в скоплении-линзе и измерить тем самым его полную массу. И оказывается, что она всегда во много раз больше, нежели вклад видимого вещества скопления.Точное измерение геометрии искажений позволяет вычислить полную массу скопления и массу темной материи скопления, после чего результат сравнивается с массой темной материи определенной по скорости движения удаленных от скопления галактик. Подобные подсчеты были проведены для более чем десяти скоплений и соотношение невидимой/видимой материи в целом соответствует динамическому методу измерения массы темной материи данных скоплений.
Рис.33/2. Гравитационное линзирование.
Скопление галактик (в левой нижней части участка, обведенного кружком) создает гравитационную линзу. Она искажает форму расположенных за линзой объектов — вытягивая их изображения в одном направлении. По величине и направлению вытягивания международная группа астрономов из Южной Европейской обсерватории, возглавляемая учеными из парижскогоИнститута астрофизики, построила распределение масс, которое и показано на нижнем изображении. Как видно, в скоплении сосредоточено гораздо больше массы, нежели удается разглядеть в телескоп.
Известно, что темное вещество взаимодействует со «светящимся» (барионным), по крайней мере, гравитационным образом. Поэтому, хотя частицы темной материи и не взаимодействуют со светом, свет испускается оттуда, где есть темное вещество. Это замечательное свойство гравитационной неустойчивости сделало возможным изучение количества, состояния и распределения темной материи по наблюдательным данным от радиодиапазона до рентгеновского излучения.
Рис.33/3. Гравитационное линзирование.
В 1995 году телескоп «Хаббл» заметил, что одна из звездочек Большого Магелланова облака вспыхнула ярче. Это свечение продолжалось три с лишним месяца, но потом звезда вернулась к своему естественному состоянию. А шесть лет спустя рядом со звездой появился какой-то едва светящийся объект. Это и был холодный карлик, который, проходя на расстоянии 600 световых лет от звезды, создал гравитационную линзу, усиливающую свет. Расчеты показали, что масса этого карлика составляет всего 5–10% от массы Солнца.
Газодинамический способ обнаружения темной материи — с помощью рентгеновского излучения горячего газа в скоплениях. Температура и плотность газа может быть определена на основе энергии и потока рентгеновских лучей, затем можно рассчитать температуру газа (из термодинамики), что дает возможность оценить массовый профиль всего скопления, опираясь на равновесие давления и гравитации. На этом основаны многие из публикаций по работе рентгеновской орбитальной обсерватории «Чандра». В целом, в этих публикациях было показано отношение барионной массы к полной массе на уровне 12—15 %, что не сильно противоречит данным с орбитальной обсерватории «Планк» дающим оценку в районе 15,5—16 %.
Рис.33/4. Скопление Пули: HST +телескоп«Чандра». Полное распределение массы полученной из обработки сильного и слабого гравитационного линзирования показано синим, а рентгеновское излучение горячего газа показано красным.
Хорошим примером применения двух последних методов и газодинамического метода является исследование уникального скопления Пули, где, как выяснилось в ходе анализа снимков в разных диапазонах, темнаяи барионная материя оказались четко разделены в результате прямого столкновения двух галактических скоплений. Это уникальное разделение было вызвано тем, что горячий газ одного скопления столкнулся с горячим газом другого скопления, нагрелся еще больше, замедлился и застрял в центре новообразованного скопления, а темная материя обоих первоначальных скоплений предположительно прошла сквозь друг друга, не нагреваясь, не излучая, не замедляясь, и в результате оказалась распределенной симметрично по обе стороны от скопления Пуля. Этот вариант доказательства наличия темной материи не зависит от Ньютоновой механики и гравитации на дальних дистанциях, и потому считается лучшим прямым обоснованием гипотезы темной материи.
Согласно опубликованным в марте 2013 года данным наблюдений космической обсерватории «Планк», общая масса-энергия наблюдаемой Вселенной состоит на 4,9 % из обычной (барионной) материи, на 26,8 % из темной материи и на 68,3 % из темной энергии. Таким образом, Вселенная на 95,1 % состоит из темной материи и темной энергии.
Рис.33/5. Уточнение распределения материи во Вселенной по результатам исследований обсерватории «Планк».
Наконец, общая теория относительности однозначно связывает темп расширения Вселенной со средней плотностью вещества, заключенного в ней. В предположении о том, что средняя кривизна пространства равна нулю, то есть в нем действует геометрия Эвклида, а не Лобачевского (что надежно проверено, например, в экспериментах с реликтовым излучением), эта плотность должна быть равна 10 -29 г/см 3 Плотность же видимого вещества примерно в 20 раз меньше. Недостающие 95% от массы Вселенной и есть темная материя. Обратите внимание, что измеренное из скорости расширения Вселенной значение плотности равно критическому. Два значения, независимо вычисленные совершенно разными способами, совпали! Если в действительности плотность Вселенной в точности равна критической, это не может быть случайным совпадением, а представляет собой следствие какого-то фундаментального свойства нашего мира, которое еще предстоит понять и осмыслить.
Что же мы знаем сегодня о темной материи, составляющей 95% массы Вселенной? Почти ничего. Но что-то всё же знаем. Прежде всего, нет никаких сомнений в том, что темная материя существует — об этом неопровержимо свидетельствуют факты, приведенные выше. А еще нам доподлинно известно, что темная материя существует в нескольких формах.
Рис.33/6. Виды материи во Вселенной.
А)От 0,3% до 3% скрытой массы заключается в нейтрино — пусть масса их чрезвычайно мала, но количество во Вселенной примерно в миллиард раз превышает количество нуклонов: в каждом кубическом сантиметре содержится в среднем 300 нейтрино.
Б)Небольшая (4–5%) часть темной материи — это обычное вещество, которое не испускает или почти не испускает собственного излучения и поэтому невидимо. Это не так давно открытые массивные галообъекты – тела, находящиеся на периферии галактических дисков. Природа таких объектов до конца не установлена — это могут быть очень холодные коричневые карлики, результат окончательной смерти белых карликов, или холодные блуждающие планетоподобные тела.
В)В качестве главных кандидатов на небарионную темную материю выступают так называемые WIMP (сокращение от английского Weakly Interactive Massive Particles — слабовзаимодействующие массивные частицы). Особенность WIMP состоит в том, что они почти никак не проявляют себя во взаимодействии с обычным веществом. Именно поэтому они и есть самая настоящая невидимая темная материя, и именно поэтому их чрезвычайно сложно обнаружить. Масса WIMP должна быть как минимум в десятки раз больше массы протона. Поиски WIMP ведутся во многих экспериментах в течение последних 20–30 лет, но, несмотря на все усилия, они до сих пор обнаружены не были.
Существует гипотеза, что значительную часть темной материи составляют первичные черные дыры, образовавшиеся в первую секунду после Большого взрыва.
Но, если следовать разработанной модели, темная материя в галактике, например в нашей Галактике Млечного Пути, будет падать в центр, стягиваться в ядро галактики гораздо сильнее, чем в другие регионы. Однако, все прямые астрономические наблюдения показывают обратную картину: темная материя образует гало вокруг галактики.
Интересной гипотезой о сущности темной материи является гипотеза других измерений. Согласно ей,гравитация принимается как уникальный тип взаимодействия, который может действовать на наше пространство из дополнительных измерений. Это предположение помогает объяснить, почему гравитация слабее — так как она может взаимодействовать с массивной материей в дополнительных измерениях, проникать сквозь барьер, недоступный другим, ядерным и электрическим взаимодействиям. Отсюда следует, что эффект темной материи может быть логично объяснен взаимодействием видимой материи из наших обычных измерений с массивной материей из других (дополнительных, невидимых) измерений через гравитацию. При этом остальные типы взаимодействий эти измерения и эту материю в них не могут никак ощутить, не могут с ней взаимодействовать. Материя в других измерениях (фактически в параллельной Вселенной) может формироваться в структуры (галактики, скопления галактик) похожим на наши измерения способом или формировать свои, экзотические структуры, которые в наших измерениях ощущаются как гравитационное гало вокруг видимых галактик.
Опубликованное в 2012 году исследование движения более 400 звезд, расположенных на расстояниях до 13 000 световых лет от Солнца, не нашло свидетельств присутствия темной материи в большом объеме пространства вокруг Солнца. Согласно предсказаниям теорий, среднее количество темной материи в окрестности Солнца должно было составить примерно 0,5 кг в объеме Земного шара. Однако измерения дали значение 0,00±0,06 кг темной материи в этом объеме. Это означает, что попытки зарегистрировать темную материю на Земле, например, при редких взаимодействиях частиц темной материи с «обычной» материей, вряд ли могут быть успешными.
В последней строке таблицы на рис. 33/6 указана еще одна составляющая скрытой массы Вселенной – темная энергия.
Наблюдения некоторых сверхновых, проведенные в 1997 — 1998 гг., показали, что постоянная Хаббла меняется со временем таким образом (ускорение расширения во времени), что дает повод говорить об инфляционном характере расширенияВселенной на современном этапе ее эволюции.
Рис.33/7. Снимки наиболее удаленной сверхновой, сделанные космическим телескопом «Хаббл». Наряду с другими они послужили обоснованием гипотезы о существовании темной энергии. Вверху — часть звездного неба вблизи сверхновой 1997ff; слева — вид галактики, в которой она находится (указана стрелкой); справа — эта же, но уже затухающая сверхновая.
Загадочный фактор, способный вызвать такое поведение, получил название темная энергия. Темная энергия (англ. dark energy) в космологии — гипотетический вид энергии, введенный в математическую модель Вселенной ради объяснения наблюдаемого ее расширения с ускорением.Ранее существовавшие космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется. Они исходили из предположения, что основную часть массы Вселенной составляет материя — как видимая, так и невидимая (темная материя). На основании новых наблюдений, свидетельствующих об ускорении расширения, было постулировано существование неизвестного вида энергии с отрицательным давлением. Ее назвали «темной энергией».
Гипотеза о существовании темной энергии (чем бы она ни являлась) решает и так называемую «проблему невидимой массы». Теория Большого Взрыва объясняет формирование в молодой Вселенной легких химических элементов, таких как гелий, дейтерий и литий. Теория крупномасштабной структурыВселенной объясняет формирование структуры Вселенной: образование звезд, квазаров, галактик и скоплений галактик. Обе эти теории предполагают, что плотность обычной материи и темной материи составляет около 30 % от критической плотности, требуемой для образования «закрытой» Вселенной, то есть плотности, необходимой, чтобы форма Вселенной была плоской.
Рис.33/8. Сравнение точности измерения реликтового излучения. Вверху –радиотелескоп Пензиаса и Вилсона; посередине орбитальная лаборатория СOBE; внизу – орбитальная лаборатория WMAP.
Измерения реликтового излученияВселенной, проведенные спутником WMAP, показывают, что форма Вселенной действительно очень близка к плоской. Следовательно, некая ранее неизвестная форма невидимой энергии должна давать отсутствующие 70 % плотности Вселенной.
Рис.33/9. Результаты работы орбитальной лаборатории WMAP.
Существует три варианта объяснения сущности темной энергии:
-темная энергия есть космологическая константа — неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной (другими словами, постулируется ненулевая энергия и давление вакуума);
-темная энергия есть некое динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.
-темная энергия есть модифицированная гравитация на расстояниях порядка размера видимой части Вселенной.
К настоящему времени (2017 год) все известные надежные наблюдательные данные не противоречат первой гипотезе, так что она принимается большинством астрономов. Окончательный выбор между вариантами требует очень длительных и высокоточных измерений скорости расширения Вселенной, чтобы понять, как эта скорость изменяется со временем. Темпы расширения Вселенной описываются космологическим уравнением состояния. Разрешение уравнения состояния для темной энергии является одной из самых насущных задач современной наблюдательной космологии. Сущность темной энергии является предметом споров. Известно, что она очень равномерно распределена, имеет низкую плотность, и не взаимодействует сколько-нибудь заметно с обычной материей посредством известных фундаментальных типов взаимодействия — за исключением гравитации. Поскольку гипотетическая плотность темной энергии невелика (порядка 10 -29 г/см³), ее вряд ли удастся обнаружить лабораторным экспериментом. Темная энергия может оказывать такое глубокое влияние на Вселенную (составляя 70 % всей энергии) только потому, что она однородно наполняет пустое (в иных отношениях) пространство.
Имеется гипотеза, что темной энергии нет вообще, а ускоренное расширениеВселенной объясняется неизвестными свойствами сил гравитации, которые начинают проявляться на расстояниях порядка размера видимой части Вселенной.
О темной энергии можно сказать еще меньше, чем о темной материи. Во-первых, она равномерно распределена по Вселенной, в отличие от обычного вещества и других форм темной материи. В галактиках и скоплениях галактик ее столько же, сколько вне их. Во-вторых, она обладает несколькими весьма странными свойствами, понять которые можно, лишь анализируя уравнения теории относительности и интерпретируя их решения. Например, темная энергия испытывает 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.
Главный кандидат на роль темной энергии — вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, что и соответствует отрицательному давлению. Еще один кандидат — гипотетическое сверхслабое поле, получившее название «квинтэссенция». Надежды на прояснение природы темной энергии связывают прежде всего с новыми астрономическими наблюдениями. Продвижение в этом направлении, несомненно, принесет человечеству радикально новые знания, поскольку в любом случае темная энергия должна представлять собой совершенно необычную субстанцию, абсолютно непохожую на то, с чем имела дело физика до сих пор.
Рис.33/10. Ускоренное расширение Вселенной в наше время.
По имеющимся оценкам, ускоряющееся расширениеВселенной началось приблизительно 5 миллиардов лет назад. Предполагается, что до этого расширение замедлялось благодаря гравитационному действию темной материи и барионной материи. Плотность барионной материи в расширяющейся Вселенной уменьшается быстрее, чем плотность темной энергии. В конце концов, темная энергия начинает преобладать. Например, когда объем Вселенной удваивается, плотность барионной материи уменьшается вдвое, а плотность темной энергии остается почти неизменной (или точно неизменной — в варианте с космологической константой).
Если ускоряющееся расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно, то в результате галактики за пределами нашего Сверхскопления галактик рано или поздно выйдут за горизонт событий и станут для нас невидимыми, поскольку их относительная скорость превысит скорость света. Это не является нарушением специальной теории относительности. На самом деле невозможно даже определить «относительную скорость» в искривленном пространстве-времени. Относительная скорость имеет смысл и может быть определена только в плоском пространстве-времени, или на достаточно малом (стремящемся к нулю) участке искривленного пространства-времени. Любая форма коммуникации далее пределов горизонта событий становится невозможной, и всякий контакт между объектами теряется. Земля, Солнечная система, наша Галактика, и наше Сверхскопление будут видны друг другу и в принципе достижимы путем космических полетов, в то время как вся остальная Вселенная исчезнет вдали.
Рис.33/11. Сценарии будущего Вселенной: Большой Разрыв (BigRip), медленное остывание (ConstantDarkEnergy), Большое Сжатие (BigCrunch).
Существуют и более экзотические гипотезы о будущем Вселенной. Одна из них предполагает, что фантомная энергия приведет к т. н. «расходящемуся» расширению. Это подразумевает, что расширяющая сила действия темной энергии продолжит неограниченно увеличиваться, пока не превзойдет все остальные силы во Вселенной. По этому сценарию, темная энергия со временем разорвет все гравитационно связанные структуры Вселенной, затем превзойдет силы электростатических и внутриядерных взаимодействий, разорвет атомы, ядра и нуклоны и уничтожит Вселенную в Большом Разрыве.
С другой стороны, темная энергия может со временем рассеяться или даже сменить отталкивающее действие на притягивающее. В этом случае гравитация возобладает и приведет Вселенную к Большому Сжатию. Некоторые сценарии предполагают «циклическую модель» Вселенной. Хотя эти гипотезы пока не подтверждаются наблюдениями, они и не отвергаются полностью. Решающую роль в установлении конечной судьбы Вселенной (развивающейся по теории Большого Взрыва) должны сыграть точные измерения темпа ускорения.
Итак, наш мир на 95% состоит из чего-то, о чем мы почти ничего не знаем. Можно по-разному относиться к такому не подлежащему никакому сомнению факту. Он может вызывать тревогу, которая всегда сопутствует встрече с чем-то неизвестным. Или огорчение, оттого что такой долгий и сложный путь построения физической теории, описывающей свойства нашего мира, привел к констатации: большая часть Вселенной скрыта от нас и неизвестна нам.
Но большинство физиков сейчас испытывают воодушевление. Опыт показывает, что все загадки, которые ставила перед человечеством природа, рано или поздно разрешались. Несомненно, разрешится и загадка темной материи. И это наверняка принесет совершенно новые знания и понятия, о которых мы пока не имеем никакого представления. И возможно, мы встретимся с новыми загадками, которые, в свою очередь, также будут разгаданы. Но это будет совсем другая история, которую можно будет прочесть лишь через несколько десятилетий.
Глава 34. Обнаружение планет возле других звезд.
Экзопланета — планета, находящаяся вне Солнечной системы. Долгое время задача обнаружения планет возле других звезд была неразрешимой, так как планеты чрезвычайно малы и тусклы по сравнению со звездами, а сами звезды находятся далеко от Солнца (ближайшая — на расстоянии 4,24 световых года). Первые экзопланеты были обнаружены в конце 1980-х годов.
На 2017 год достоверно подтверждено существование 3704 экзопланет в 2774 планетных системах, из которых в 621 имеется более одной планеты. По проекту «Кеплер» на февраль 2017 года числилось еще 4706 надежных кандидатов, однако для получения ими статуса подтвержденных планет требуется их повторная регистрация с помощью наземных телескопов.
Общее количество экзопланет в Галактике Млечного Пути в настоящее время оценивается не менее чем в 100 миллиардов, из которых
от 5 до 20 миллиардов, возможно, являются «землеподобными». Также, согласно текущим оценкам, около 34 % солнцеподобных звезд имеют в обитаемой зоне планеты, сравнимые с Землей. Общее количество экзопланет, напоминающих Землю и обнаруженных к августу 2016 года, составляет 216.
Подавляющее большинство открытых экзопланет обнаружено с использованием различных непрямых методик, а не визуального наблюдения. Большинство известных экзопланет — газовые гиганты и более походят на Юпитер, чем на Землю. Очевидно, это объясняется тем, что легче обнаружить короткопериодичные массивные планеты.
В конце 1980-х годов многие группы астрономов начали систематическое измерение скоростей ближайших к Солнцу звезд, ведя специальный поиск экзопланет с помощью высокоточных спектрометров.
Впервые экзопланета была найдена в 1988 году у оранжевого субгиганта Гамма Цефея A (Альраи), но ее существование было подтверждено лишь в 2002 году.
В 1989 году сверхмассивная планета (или коричневый карлик) была найдена около звезды HD 114762 A. Однако, ее планетный статус был подтвержден только в 1999 году.
В 1995 году астрономы с помощью сверхточного спектрометра обнаружили покачивание звезды 51 Пегаса с периодом 4,23 суток. Планета, вызывающая покачивания, напоминает Юпитер, но находится в непосредственной близости от светила. В среде астрономов планеты подобного типа называют «горячими юпитерами».
Первая экзопланета типа «суперземля», обращающаяся вокруг нормальной звезды (а не пульсара), была обнаружена в 2005 году около звезды Глизе 876. Ее масса — 7,5 масс Земли.
Рис.34/1. Планетная система звезды Глизе876.
В 2004 году было получено первое изображение (в инфракрасных лучах) кандидата в экзопланеты у коричневого карлика2M1207.
13 ноября 2008 года впервые удалось получить изображение сразу целой планетной системы — снимок трех планет, обращающихся вокруг звезды HR 8799 в созвездии Пегаса. Это первая планетная система, открытая у горячей белой звезды класса А. Все открытые ранее планетные системы (за исключением планет у пульсаров) были обнаружены вокруг звезд классов F-M.
Рис.34/2. Планета Фомальгаут b по результатам повторных исследований 2012 года.
13 ноября 2008 года также впервые удалось обнаружить планету Фомальгаут b, вращающуюся вокруг звезды Фомальгаут. Это открытие было подтверждено в 2012 г.
В 2011 году было объявлено об открытиипяти одиночных юпитероподобных экзопланет.
В сентябре 2011 года было объявлено об открытии двух экзопланет KIC 10905746b и KIC 6185331 b по анализу данных, собранных телескопом «Кеплер». Планеты были найдены астрономами-любителями среди данных, которые профессиональные астрономы по тем или иным причинам отсеяли, и если бы не помощь добровольцев, то эти планеты, вероятно, остались бы не открытыми.
5 декабря 2011 года телескопом «Кеплер» была обнаружена первая экзопланета типа «суперземля» в обитаемой зоне — Kepler-22 b.
20 декабря 2011 года телескопом «Кеплер» у звезды Кеплер-20 были обнаружены первые экзопланеты размером с Землю и меньше — Kepler-20 e (радиусом 0,87 земного и массой от 0,39 до 1,67 масс Земли) и Kepler-20 f (0,045 массы Юпитера и 1,03 радиуса Земли).
22 февраля 2012 года ученые обнаружили первую экзопланету типа «суперземля», расположенную от Земли на расстоянии 40 световых лет и предположительно являющуюся планетой-океаном — GJ 1214 b. Период обращения планеты вокруг звезды — красного карлика — 38 часов, расстояние составляет около 2 миллионов километров. Температура на поверхности планеты составляет примерно 230 °C.
В 2015 году была обнаружена экзопланета, похожая на молодой Юпитер.
В феврале 2017 года было объявлено, что вокруг звезды TRAPPIST-1 обнаружено семь планет, близких к размеру Земли.
Рис.34/3. Планетная система звезды Траппист-1 в сравнении с размерами планет Солнечной системы.
Важные открытия в поиске экзопланет были сделаны орбитальным телескопом «Кеплер» (НАСА), который способен одновременно отслеживать 100 тыс. звезд. «Кеплер» был запущен 7 марта 2009 года. Планировалось обнаружить около 50 планет, размерами идентичными Земле, и порядка 600 планет, в 2,2 раза превосходящих Землю по размеру. «Кеплер» обращается вокруг Солнца по орбите радиусом в одну астрономическую единицу. Расчетный срок эксплуатации был определен в 3,5 года. Позднее было объявлено о продлении миссии до 2016 года, однако в мае 2013 года телескоп вышел из строя. К этому времени «Кеплер» достоверно открыл 132 экзопланеты.
Рис.34/4. Планеты, обнаруженные телескопом «Кеплер» в представлении художник
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.
Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.
Источник