Меню

Темная материя вселенная расширяется

Темная энергия: таинственный двигатель Вселенной

На рубеже 21-го века произошел ряд космологических достижений, которые сыграли решающую роль в научном прогрессе. Концепция теории Большого взрыва непреднамеренно привела к открытию темной материи. Это, в свою очередь, свидетельствовало о существовании темной энергии, которая приводит к необъяснимому ускорению расширяющейся Вселенной.

От теории Большого Взрыва к темной материи и темной энергии

Когда была задумана теория Большого Взрыва, она дала ответы на множество вопросов, но также открыла для астрофизиков и физиков частиц множество новых вопросов. На некоторые вопросы ответила инфляционная гипотеза теории Большого взрыва. Но научное движение, начавшееся из-за теории Большого взрыва, натолкнулось на открытие, которое было совершенно необъяснимым.

Изучая гравитационные эффекты галактик, было обнаружено, что масса галактики на самом деле в шесть раз превышает массу видимых звезд в этой галактике. Остальная масса, большая часть массы в космосе, фактически невидима для нас; его гравитационные эффекты, однако, измеримы. Эта невидимая материя получила название темной материи.

Ученые с юмором начали называть частицы этой материи WIMP, или Слабо взаимодействующими массивными частицами. Они должны быть массивными, как предполагают их гравитационные эффекты. «Слабо взаимодействующие» в названии происходят из-за отсутствия у них других взаимодействующих сил.

WIMP теоретически необходимы для полного согласования наших существующих теорий материи, стандартной модели материи. В течение долгого времени физики экспериментировали с кварками и лептами, чтобы выяснить, как темная материя может существовать во Вселенной, но ответа на этот вопрос найдено не было.

Астрофизики не смогли увидеть их в реальном мире, несмотря на то, что некоторые из лучших умов были заняты их поиском.

Однако поиски не зашли в тупик. Например, расширение стандартной модели материи с помощью суперсимметрии могло бы объяснить существование темной материи.

Эта теория была настолько совершенна, что в 1990-х годах она достигла научного консенсуса. Однако, здесь было еще одно противоречие, которое озадачило научное сообщество того времени.

Аномалия расширения: открытие темной энергии

Гравитация является одной из четырех физических сил и единственной, которая работает на больших расстояниях. Это еще и сила притяжения.

Таким образом, вся материя во Вселенной должна притягивать всю другую материю во Вселенной силой гравитации, тем самым искривляя пространство-время, чтобы противостоять расширению, которое продолжается с самого большого взрыва. Это оставляло две возможные альтернативы для Вселенной в долгосрочной перспективе.

Во-первых, гравитационное притяжение во Вселенной достаточно велико, в силу наличия достаточного количества материи, чтобы остановить это расширение и повернуть вспять, чтобы Вселенная начала сжиматься. Этого сжатия могло быть достаточно, чтобы сделать плотность энергии настолько большой, что это могло бы вызвать еще один Большой взрыв, и Вселенная продолжила бы эту серию колебаний.

Другая возможность заключается в том, что не хватает материи, а следовательно, и гравитационной энергии, чтобы полностью остановить расширение Вселенной, хотя оно и замедлится. Вместо того чтобы сжиматься, расширение будет продолжаться до тех пор, пока плотность энергии не станет настолько мала, что она схлопнется сама на себя, создавая мертвую, холодную Вселенную.

Какая из двух возможностей будет реализована, зависит от энергии и материи, содержащихся во Вселенной.

Но произошла аномалия, о которой даже не мечтали. До сих пор рассматривались только эти два варианта: сжатие, последующий Большой взрыв и продолжающиеся колебания Вселенной, или замедление расширения, в конечном итоге ведущее к холодной мертвой Вселенной.

В 1998 году американские ученые Саул Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс обнаружили, что на самом деле все обстоит иначе: расширение Вселенной вовсе не замедляется, а, наоборот, ускоряется. В результате Вселенная расширяется с возрастающей скоростью.

Как такое могло случиться? Единственная известная сила, способная действовать на межзвездных расстояниях, — это гравитация, и это сила притяжения. Во всяком случае, это привело бы к снижению скорости расширения. Тем не менее тот факт, что расширение Вселенной ускоряется, был подтвержден много раз с 1998 года.

Читайте также:  Подумай что такое вселенная

Единственным логическим объяснением было бы то, что за этим расширением должна стоять какая-то другая энергия. Что это за энергия, нам неизвестно. Но точно так же, как невидимая материя, увеличивающая массу вселенной, называлась темной материей, так и невидимая энергия, ускоряющая расширение вселенной, была названа темной энергией.

Что мы знаем о темной энергии?

Сходство между темной материей и темной энергией не заканчивается на имени. Как и в случае с темной материей, о темной энергии известно немногое. Мы не знаем, откуда на самом деле берется темная энергия и на что она похожа.

Что мы знаем, так это сколько ее должно быть, учитывая скорость ускорения во вселенной. И это много: нормальная материя и энергия, вещество, которое первоначально считалось всем, что есть во Вселенной, составляет только 5% от реальной вселенной. Темная материя составляет целую четверть, 25% всего содержимого Вселенной. А темная энергия, составляющая остальные 70%, составляет большую часть содержимого Вселенной. По сути, это означает, что подавляющее большинство, около 95%, нашей Вселенной невидимо для нас.

Но есть еще много вопросов на эту тему. Если бы темная энергия Вселенной была равномерно распределена, как любое другое энергетическое поле, она была бы разбавлена расширением, что привело бы к снижению скорости расширения с течением времени. Но это не было замечено до сих пор, подразумевая, что плотность темной энергии остается постоянной с течением времени.

Выход за пределы темной энергии

Темную энергию так трудно найти, потому что она не взаимодействует с нормальной материей, и то, что мы ничего о ней не знаем, делает ее такой аномалией. Существует установленная парадигма, картина реальности, которая регулируется как стандартной моделью, так и общей теорией относительности. Эта парадигма содержит материю, темную материю и темную энергию, хотя мы мало что знаем о большинстве содержания этой парадигмы.

И стандартная модель, и общая теория относительности безупречно предсказывают результаты, которые также были доказаны экспериментально. Тем не менее существует острая необходимость в теории, которая охватывала бы их обоих, примиряла бы их различия и, возможно, лучше отвечала бы на вопросы о строительных блоках Вселенной. Это создает потребность в теории всего, единой теории, которая, если бы она была задумана, могла бы объяснить функционирование вселенной таким образом, о котором раньше не думали.

Общие вопросы о темной энергии

Что такое темная энергия?
Темная энергия относится к таинственной энергии, которая отвечает за ускорение расширения Вселенной.

Что бы сделала Единая теория?
Единая теория необходима, чтобы свести воедино понимание стандартной модели и общей теории относительности, чтобы, возможно, обеспечить лучшее понимание темной материи и темной энергии.

Каков состав Вселенной?
Только 5% Вселенной состоит из нормальной материи и энергии, 25% состоит из темной материи, а большая часть, 70%, состоит из темной энергии.

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.

Читайте также:  Проблема эволюции вселенной кратко

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

Темная материя и темная энергия

Все, что мы видим вокруг себя (звезды и галактики) это не более 4-5% от всей массы во Вселенной!

Состав Вселенной

Согласно космологическим теориям современности, наша Вселенная состоит всего из 5% обычной, так называемой барионной материи, которая образует все наблюдаемые объекты; 25% темной материи, регистрируемой благодаря гравитации; и темной энергии, составляющей целых 70% от общего объема.

Термины темная энергия и темная материя не вполне удачны и представляют собой дословный, но не смысловой перевод с английского.

Материалы по теме

Крупномасштабная структура Вселенной

В физическом же смысле данные термины подразумевают, только то, что эти вещества не взаимодействуют с фотонами, и их с таким же успехом можно было бы назвать невидимой или прозрачной материей и энергией.

Многие современные ученные убеждены, что исследования направленные на изучение темной энергии и материи, вероятно, помогут получить ответ на глобальный вопрос: что же ожидает нашу Вселенную в будущем?

Читайте также:  Чем заканчивается звездные врата вселенная

Сгустки размером с галактику

Темная материя представляет собой субстанцию, состоящую, скорее всего, из новых, еще неизвестных в земных условиях частиц и обладающую свойствами присущими самому обыкновенному веществу. Например, она способна также как обычные вещества собираться в сгустки и участвовать в гравитационных взаимодействиях. Вот только размеры этих так называемых сгустков могут превышать целую галактику или даже скопление галактик.

Подходы и методы исследования частиц темной материи

Из чего состоит Вселенная

На данный момент ученые всего мира всячески пытаются обнаружить или получить искусственно в земных условиях частицы темной материи, посредством специально разработанного сверхтехнологичного оборудования и множества различных научно-исследовательских методов, но пока все труды не увенчиваются успехом.

Материалы по теме

Эволюция Вселенной: от начала до наших времен

Один из методов связан с проведением экспериментов на ускорителях высокой энергии, широко известных как коллайдеры. Ученые, считая, что частицы темной материи тяжелее протона в 100-1000 раз, предполагают, что они должны будут зарождаться при столкновении обычных частиц, разогнанных до высоких энергий посредством коллайдера. Суть другого метода заключается в регистрации частиц темной материи, находящихся повсюду вокруг нас. Основная сложность регистрации данных частиц состоит в том, что они проявляют очень слабое взаимодействие с обычными частицами, которые по своей сути для них являются как бы прозрачными. И все же частицы темной материи очень редко, но сталкиваются с ядрами атомов, и имеется определенная надежда рано или поздно все же зарегистрировать данное явление.

Существуют и другие подходы и методы исследования частиц темной материи, а какой из них первым приведет к успеху, покажет лишь время, но в любом случае открытие этих новых частиц станет важнейшим научным достижением.

Субстанция, обладающая антигравитацией

Распределение энергии во Вселенной

Темная энергия представляет собой еще более необычную субстанцию, чем та же темная материя. Она не обладает способностью собираться в сгустки, в результате чего равномерно распределена абсолютно по всей Вселенной. Но самым необычным ее свойством на данный момент является антигравитация.

Природа темной материи и черных дыр

Благодаря современным астрономическим методам имеется возможность определить темп расширения Вселенной в настоящее время и смоделировать процесс его изменения ранее во времени. В результате этого получена информация о том, что в данный момент, так же как и в недалеком прошлом, наша Вселенная расширяется, при этом темп этого процесса постоянно увеличивается. Именно поэтому и появилась гипотеза об антигравитации темной энергии, так как обычное гравитационное притяжение оказывало бы замедляющее воздействие на процесс «разбегания галактик», сдерживая скорость расширения Вселенной. Данное явление не противоречит общей теории относительности, но при этом темной энергии необходимо обладать отрицательным давлением – свойством, которым не обладает ни одно из известных на данный момент веществ.

Кандидаты на роль «Темной энергии»

Масса галактик в скоплении Абель 2744 составляет менее 5 процентов от всей его массы. Этот газ настолько горячий, что светит только в рентгеновском диапазоне (красный цвет на этом изображении). Распределение невидимой темной материи (составляющей около 75 процентов от массы этого кластера) окрашено в синий цвет.

Одним из предполагаемых кандидатов на роль темной энергии является вакуум, плотность энергии которого остается неизменной в процессе расширения Вселенной и подтверждает тем самым отрицательное давление вакуума. Другим предполагаемым кандидатом является «квинтэссенция» — неизведанное ранее сверхслабое поле, якобы проходящее через всю Вселенную. Также имеются и другие возможные кандидаты, но не один из них на данный момент так и не поспособствовал получению точного ответа на вопрос: что же такое темная энергия? Но уже сейчас понятно, что темная энергия представляет собой что-то совершенно сверхъестественное, оставаясь главной загадкой фундаментальной физики XXI века.

Похожие статьи

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Источник

Adblock
detector