Тёмная энергия и тёмная материя
Мы не понимаем более 95% нашей Вселенной.
Вся материя, которую мы можем видеть и понимать, включая звезды, планеты и атомы, составляют менее 5% Вселенной. Более 95% нашей Вселенной состоит из тёмной энергии (70%) и тёмной материи (25%), ни одну из которых мы не понимаем, и обе невидимы. Тем не менее, несмотря на их таинственную природу, у нас есть доказательства их существования и важности. Что мы знаем об этих тёмных, захватывающих аспектах нашей Вселенной?
Тёмная материя
Сама по себе барионная материя, т.е. обычная материя, вещество, состоящее из барионов (нейтронов, протонов и электронов), не обладает достаточной гравитацией, чтобы объяснить структуру нашей Вселенной. Наша галактика Млечный Путь вращается так быстро, что её звезды должны были бы разбросаны повсюду, так как всё, что мы можем видеть вокруг нас, имеет только 10% гравитации, необходимой для удержания звёзд на своих орбитах. Галактики и сверхскопления становятся возможными благодаря дополнительной гравитации тёмной материи — материи, которая не испускает и не отражает свет. Концентрации тёмной материи, однако, искривляют свет, проходящий поблизости. Мы также знаем, что она медленная и тяжелая, так как она должна быть холодной либо медленной, чтобы гравитационно объединить галактики и кластеры.
Существует несколько объяснений того, что может быть причиной этого явления.
Тёмная материя может состоять из частиц. Наша барионная материя состоит из частиц (протоны, нейтроны, электроны), которые мы уже обнаружили, но частицы тёмной материи трудно обнаружить, потому что они не взаимодействуют со светом. Такими частицами могут быть странные и экзотические новые частицы, которые никоим образом не взаимодействуют со светом и материей или частицы с какими-то новыми свойствами, что это выходит за рамки нашего нынешнего понимания физики. В теории струн уже есть некоторые частицы, которые могли бы объяснить тёмную материю — вимпы, аксионы или нейтралино, но нам нужно сначала обнаружить их, чтобы подтвердить эту теорию.
Другое решение говорит о том, что мы не пропускаем барионную материю, необходимую для обеспечения гравитации для структуры Вселенной, но вместо этого гравитация действует по-разному на более массивные объекты, такие как галактики и сверхскопления. Но это решение включало бы признание того, что Общая теория относительности Эйнштейна ошибочна, хотя эта теория прошла многочисленные проверки с момента её появления. Это также означает, что мы имеем недостаточное или неправильное понимание физики элементарных частиц.
Одно из наиболее креативных, но всё же возможных объяснений тёмной материи говорит о том, что мы находимся на одном уровне существования, но что есть и другой уровень, который находится всего в нескольких дюймах от нас. Поскольку свет путешествует под этой вселенной, некоторые объекты внутри неё будут невидимы. Однако, поскольку гравитация — это не что иное, как искривление пространства, если пространство между двумя плоскостями даже немного согнуто, гравитационные силы могут перемещаться поперек. Внезапно мы получаем точное описание тёмной материи — невидимой массы, имеющей гравитацию. Это своеобразное явление не может быть ничем иным, как обычной материей, но из другого измерения.
Мы также знаем то, чем не является тёмная материя. Это не антиматерия, так как антиматерия производит уникальные гамма-лучи, как только она вступает в контакт с нормальным веществом. Это также не скопления обычной материи, так как тогда она будет излучать частицы, которые мы могли бы обнаружить, и, наконец, это не чёрная дыра, так как чёрные дыры компактны, а тёмная материя, похоже, рассеяна повсюду во Вселенной.
Тёмная энергия
Если тёмная материя кажется странной, то всё становится ещё более запутанным, когда мы добираемся до тёмной энергии.
Эйнштейн предсказал расширение Вселенной (скорость, которую мы теперь называем постоянной Хаббла и которая присутствовала в уравнениях общей теории относительности), но современные измерения показывают более высокую скорость, чем предсказал Эйнштейн. До того, как были сделаны эти измерения, считалось, что расширение Вселенной замедлится, и она в конечном итоге схлопнется снова в себя, но теперь наиболее вероятным результатом является то, что наша Вселенная будет продолжать расширяться всегда, что в конечном итоге приведет к так называемой тепловой смерти.
Это непрерывное ускорение Вселенной происходит благодаря тёмной энергии — отталкивающей силе, которая действует противоположным образом, чем тёмная материя, заставляя Вселенную расширяться, а не объединяться в организованные структуры. Это свойство, которое, по-видимому, является частью пустого пространства, а эта энергия более сильная и более концентрированная, чем всё остальное во Вселенной. Если это свойство пустого пространства, это означает, что пустое пространство — это не ничто, а что-то.
Нет никакого способа обнаружить или измерить тёмную энергию, но мы можем принять к сведению последствия её действия.
Как уже говорилось ранее, наиболее вероятным концом Вселенной является Тепловая смерть — расширение, приводящее к превращению вещества в излучение и остановке всех процессов во Вселенной спустя огромное количество времени. Эта Тепловая смерть является результатом продолжающегося расширения, вызванного тёмной энергией и отсутствием материи, необходимой для противодействия этому расширению. Но такая недостаточно плотная вселенная должна иметь очень странную форму. Вместо этого наша Вселенная почти совершенно плоская, что может быть возможно только благодаря притоку новой энергии во всем пространстве.
Согласно Общей теории относительности, энергия или масса искривляют пространство-время. Используем наглядный пример, чтобы лучше понять, как работает тёмная энергия.
Внутри резервуара под давлением быстро движущиеся частицы давят на его стенки. Это, однако, не механизм тёмной энергии, поскольку он имеет место только в том случае, если существует разность давлений между двумя областями. В примере с резервуаром снаружи есть меньшее давление, чем внутри, но у Вселенной нет этой проблемы — давление почти везде одинаково.
Тёмная энергия, как было показано, имеет отрицательное давление, давление, которое тянет внутрь. Но это вызывает удивительное противоречие, учитывая влияние тёмной энергии, вызывающее расширение Вселенной! Это происходит потому, что отрицательное давление не оказывает прямого влияния на гладкую вселенную, но оно вызывает релятивистское расширение, приводящее к антигравитации, доказанной математическими уравнениями.
Так откуда же берётся вся эта энергия? Мы не знаем. Может, ниоткуда. Закон сохранения энергии не применяется ко Вселенной, которая постоянно расширяется, так как общая теория относительности утверждает, что энергия может быть навсегда потеряна и получена из ничего.
Другие теории предполагают, что тёмная энергия — это неизвестная энергетическая жидкость или поле, которое каким-то образом оказывает противоположный эффект, чем нормальная энергия и материя. Возможно, это спонтанные частицы, которые приходят из ничего и возвращаются в ничто.
Мы не знаем, но мы продолжаем изучать таинственную тёмную материю и тёмную энергию, потому что они являются ключом к пониманию нашей Вселенной и ее будущего.
Источник
Все за сегодня
Политика
Экономика
Наука
Война и ВПК
Общество
ИноБлоги
Подкасты
Мультимедиа
Наука
The New Republic (США): как темная материя cформировала Вселенную
Таинственные частицы могли косвенно проложить путь человечеству — и погубить динозавров
Многие увлечены идеей о существовании мультивселенной — других вселенных за пределами нашей досягаемости. Но множество скрытых миров, которые у нас действительно есть возможность изучить и понять, представляются не менее увлекательными. Благодаря имеющимся в нашем распоряжении современным идеям и технологиям мы приближаемся к моменту, когда темная материя станет последним рубежом — или по крайней мере следующим захватывающим открытием.
Темная материя представляет собой неуловимую сущность во Вселенной. Подобно обычной материи, она взаимодействует с окружающим миром посредством гравитации, при этом не испуская и не поглощая свет. Астрономы регистрируют ее гравитационное влияние, но непосредственно ее не видят и не чувствуют. Темная материя несет в себе в пять раз больше энергии, чем обычная, но ее взаимодействия с материей, которые можно наблюдать напрямую, крайне слабы. Возможно, миллиарды частиц темной материи каждую секунду проходят через каждого из нас. Тем не менее никто не замечает их присутствия. Даже миллиарды частиц темной материи оказывают на нас ничтожное воздействие.
Это происходит оттого, что темная материя не состоит из тех же веществ, что обычная материя, — атомов или других известных нам элементарных частиц, чье взаимодействие со светом отвечает за все, что мы видим. Темная материя на самом деле не темная — она прозрачная. Темные вещи поглощают свет. Прозрачная материя, включая и ту, которой выпало несчастье называться «темной», для нас неощутима. Невозможно собрать темную материю в подвале или гараже.
Тем не менее один сценарист недавно спросил меня о возможностях использования силы темной материи. Несмотря на восторг, который обычно вызывают у нас темные вещи, — достаточно взглянуть на множество книг и фильмов, в названиях которых фигурирует это слово! — темная материя не является ни зловещим, ни щедрым источником стратегической мощи. Ни собственными руками, ни инструментами, сделанными из обычной материи, мы не можем производить из темной материи ракетное оружие или ловушки. Обнаружить ее — уже непростая задача. А освоение ее потенциала — это совсем другая история.
Припишем стремление сценариста выдать желаемое за действительное неудачно выбранному имени, которое, из-за которого, вероятно, темная материя и кажется более угрожающей и мощной, чем она есть на самом деле. Но хотя люди и не могут овладеть силой темной материи, Вселенная может. Признаем мы ее вклад или нет, но — подобно невидимым рабочим, которые строили пирамиды, или шоссе, или по деталям собирали электронные механизмы, сыгравшие определяющую роль в развитии цивилизации, — темная материя имеет большое значение для развития нашего космоса. Если наше совместное исследование подтвердит выдвинутые гипотезы, мы, вполне возможно, сможем доказать, что темная материя также косвенно проложила путь для появления крупных млекопитающих и, следовательно, человечества.
Черная дыра
Палеонтологи, геологи и физики обнаружили, что 66 миллионов лет назад на Землю из космоса упал объект по крайней мере в десять километров шириной. Он уничтожил наземных динозавров, а заодно и три четверти других видов, существовавших на планете. Мы предполагаем, что во время прохождения Солнца через среднюю плоскость Млечного Пути — полосу звезд и яркой пыли, которую можно наблюдать в ясном ночном небе, — Солнечная система встретилась с диском темной материи, которая спровоцировала смещение отдаленного объекта, тем самым форсируя этот катастрофический удар — а может быть, и другие с промежутком в 30-35 миллионов лет. Наша гипотеза заключается в том, что менее традиционный тип темной материи коллапсировал, образовав густой диск (плотнее даже, чем диск Млечного Пути), и гравитационное воздействие этого диска изменило траекторию комет при прохождении Солнечной системы.
Контекст
Time: найдем ли мы когда-нибудь темную материю?
Science: как выглядит черная дыра
JSTOR Daily: что находится по ту сторону черной дыры?
Предложенная нами концепция темной материи отличается от распространенных воззрений на ее природу. В то время как видимый мир обладает разнообразными типами частиц — кварками и электронами, фотонами и глюонами, например, — и эти частицы взаимодействуют посредством различных сил (электромагнитных, сильных и слабых), физики обычно придерживаются мнения, что вся темная материя состоит из одного типа частиц, которые в основном взаимодействуют только через гравитацию. Почему бы не предположить, что также существуют различные типы темной материи и что по крайней мере один из них обладает собственными силами взаимодействия?
Если допустить, что даже небольшая доля частиц темной материи взаимодействует с другими частицами темной материи посредством темной электромагнитной силы, то эти частицы темной материи должны вести себя аналогично частицам обычной материи, которые, как мы знаем, в галактике охлаждаются, замедляют свою скорость и формируют диск, похожий на видимый диск нашего Млечного Пути. Измеряя движение миллиарда звезд Млечного Пути, спутник «Гайя» (GAIA) создает 3D-изображение формы нашей галактики, которая сегодня чувствительна к гравитационному влиянию диска темной материи.
Какими бы ни были результаты поисков этого дополнительного вида темной материи, мы знаем, что темная материя сыграла важную роль в истории видимой Вселенной. Несмотря на слабость взаимодействий, гравитационное притяжение темной материи сформировало галактики и скопления галактик, разбросанные по всему космосу. Без темной материи звезды не достигли бы своей нынешней численности и распределились бы по-другому.
Нас бы здесь не было, чтобы все это обсуждать, не говоря уже о том, чтобы собрать целостную картину эволюции Вселенной, если бы не темная материя, предоставляющая достаточно времени для формирования структуры, которую мы сейчас наблюдаем.
В одном из самых удивительных открытий ХХ века наблюдения реликтового излучения от Большого Взрыва показали, что, когда Вселенная была размером примерно с песчинку, в ее плотности присутствовали крошечные отклонения. Эти мельчайшие колебания — на уровне менее 0,001% — в конечном счете стали источниками происхождение вас, меня, галактик и всей структуры во Вселенной. Темная материя сыграла определяющую роль в укреплении этих небольших отклонений в плотности и позволила этим космическим структурам сформироваться.
Материя, в отличие от излучения, на ранних этапах существования Вселенной могла замедляться и слипаться. Гравитационное притяжение в местах с большей плотностью приводило к тому, что некоторые участки материи коллапсировали, тем самым дополнительно увеличивая плотность вещества и приводя к образованию галактик. Так Вселенная становилась все более неоднородной, по мере того как богатые материей области обогащались еще больше, а бедные — становились беднее. Агрегация материи продолжалась ввиду постоянного схлопывания материи в позитивном процессе обратной связи, который превращал изначально однородную Вселенную в то, что в конечном итоге разовьется в дифференцированные галактики, скопления и звезды, которые мы видим сегодня. Поскольку количество темной материи намного превышает количество обычной материи, этот коллапс произошел раньше, чем если бы во Вселенной существовала только обычная материя. Это важно, потому что она дала структуре, наблюдаемой нами сегодня, достаточно времени для роста.
Активная черная дыра в представлении художника
Но темная материя сыграла важную роль и по другой причине. Даже если она и не является главным видом энергии во Вселенной, излучение вымывает изменения плотности обычной материи, подобно тому как ветер сглаживает песочную зыбь, отпечатавшуюся на морском берегу. Излучение на ранней стадии эволюции Вселенной могло бы предотвратить образование объектов размером с галактики из исключительно обычной материи.
Темная материя могла неуклонно зарождать такие структуры, поскольку невосприимчива к электромагнитным излучениям. Следовательно, темная материя вполне эффективно дала обычной материи дополнительный старт, прокладывая путь для формирования галактик и звездных систем. Только «путешествуя автостопом» вместе с темной материей, в нашей Вселенной могли сформироваться объекты галактического масштаба и зачатки звезд. Когда схлопывалась достаточно большая область, темная материя формировала гало приблизительно сферической формы, внутри которого газ обычной материи мог охлаждаться, конденсироваться в центр и в конечном итоге распадаться на звезды.
Статьи по теме
Forbes: галактика, бросившая вызов темной материи
Каково это — упасть в черную дыру? (Forbes)
Это одновременное коллапсирование темной материи и обычной материи также помогает нашим поискам темной материи. Хотя мы видим звезды и галактики благодаря излучаемому свету, именно темная материя первоначально привлекла видимую материю, чтобы сформировать эти структуры. Так что, хотя мы непосредственно наблюдаем только обычную материю, мы можем быть уверены, что обе материи наличествуют в одних и тех же местах и что темная материя остается в этом сферическом гало вокруг видимого вещества. Другими словами, в некотором смысле искать под фонарным столбом темную материю вполне целесообразно.
Темная материя продолжает играть важную роль в космосе. Она не только способствует гравитационному притяжению, которое не дает звездам разлететься, но также возвращает некоторое количество материи, выбрасываемой сверхновыми, обратно в галактики. Темная материя, таким образом, помогает сохранить тяжелые элементы, которые необходимы для дальнейшего формирования звезд и в конечном счете для жизни.
Не стоит особенно беспокоиться о неизбежных негативных ассоциациях с понятием «темного» или о высших силах темной материи. Влияние частицы темной материи — или даже миллиардов этих частиц — легко игнорировать. Однако гравитационное влияние достаточно большого количества темной материи, скопившейся в определенной области, оказало существенное влияние на развитие Вселенной. Подобно другим не замечаемым нами сущностям в окружающей среде, темная материя имеет важное значение для нашего мира и, в соответствии с нашими недавними исследованиями, возможно, была необходима для появления человеческой жизни.
Мы с коллегами лишь стоим у истоков понимания того, что такое темная материя. Темная материя не выделена в пространстве, так что корабль «Энтерпрайз» не сможет нас к ней перенести, — правда, в отличие от этого космического корабля, темная материя реальна. Тем не менее проводимые сегодня исследования обещают преодолеть наши физические ограничения и лучше понять неуловимый, но потенциально доступный нам мир темной материи.
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.
Источник