Вселенная + Темная материя

Весной 2018 года астрономам впервые в истории удалось найти галактику с минимальным количеством темной материи — или с ее полным отсутствием. Спустя год ученые нашли вторую подобную галактику, а это открытие стало одним из самых важных в астрономии в XXI веке — наряду с обнаружением гравитационных волн. «Хайтек» рассказывает, насколько существование таких объектов вообще возможно и как оно парадоксальным образом доказывает наличие самой темной материи во Вселенной.

В вопросах, касающихся природы и свойств темной материи, астрономы до сих пор находятся на начальном этапе изучения, в первую очередь, потому что реальность ее существования до сих пор не доказана.

Теория о существовании этой субстанции была выдвинута более 40 лет назад в качестве объяснения несоответствия между массой всех видимых объектов в галактике с массой самой галактики. Астроном Вера Рубин, которая впервые обнаружила несоответствие, определила, что эта невидимая субстанция крайне распространена, и из нее состоит большая часть Вселенной. Сегодня мы знаем эту субстанцию как темную материю.

Хотя у астрономов есть по меньшей мере три доказательства того, что темная материя существует, ни одна из попыток обнаружить прямое доказательство ее существования и определить ее свойства успехом не увенчалась.

Однако работа ученых из Йельского университета во главе с Питером ван Доккумом, опубликованная в журнале Nature в марте 2018 года, как никогда раньше приблизила ученых к обнаружению еще одного доказательства существования этой субстанции.

Что астрономам известно о темной материи?

Темная материя — субстанция, которая не взаимодействует с другими материями с помощью электромагнитных (EM) или сильных ядерных сил. Отсутствие электромагнитных взаимодействий означает, что она не может испускать, поглощать, отражать, преломлять или рассеивать свет. Это, естественно, делает ее довольно сложным предметом для наблюдений. Тем не менее, около 85% всего вещества во Вселенной представляет собой темную материю.

Пока у ученых нет ни одного практического доказательства того, что темная материя действительно существует, но есть теоретические. Вот три главных.

Галактические кривые вращения

Когда один объект вращается вокруг другого, объект на орбите должен постоянно ускоряться к центральному (или, точнее, они оба ускоряются к их объединенному центру масс). Без этого ускорения орбитальное тело просто улетит.

Чем быстрее движется орбитальное тело, тем большее ускорение требуется, чтобы удержать его на орбите. Поскольку в этом случае ускорение происходит из-за силы тяжести, это означает, что центральная масса должна быть больше.

Это знание позволяет ученым «взвешивать» разные части галактики, а также измерять скорости вращения, сравнивая красные смещения на приближающейся и удаляющейся сторонах галактики. При взвешивании астрономы видят несоответствие между массой всех объектов в галактике и ее общей массой.

Красное смещение — сдвиг спектральных линий химических элементов в красную (длинноволновую) сторону. Это явление может быть выражением слабого диффузного рассеяния, эффекта Доплера или гравитационного красного смещения, или их комбинацией. Впервые сдвиг спектральных линий в спектрах небесных тел описал французский физик Ипполит Физо в 1848 году и предложил для объяснения сдвига эффект Доплера, вызванный лучевой скоростью звезды.

Гравитационное линзирование

Согласно общей теории относительности, всякий раз, когда свет проходит через гравитационное поле, он слегка искажается. Это действует как гравитационная линза и может производить, например, «кольца Эйнштейна», как на изображении ниже.

Общая теория относительности Эйнштейна гласит, что гравитация столь крупных космических объектов, как галактики, искривляет пространство вокруг себя и отклоняет лучи света. При этом возникает искаженное изображение другой галактики — источника света.

«Кольцо Эйнштейна» на изображении выше — это искаженное изображение одной галактики (она подсвечена синим), расположенной за другой (красной) галактикой в центре. Свет от синей распространяется во всех направлениях, но изгибается гравитацией красной галактики. Это означает, что свет, который, например, был изначально направлен прямо на Землю, никогда не достигнет нашей планеты — в отличие от света, который имел другое направление, но исказился линзой и исходит как будто из всех направлений сразу. Этот процесс объясняет появление кольца.

В слабых гравитационных линзах статистический анализ искажений в свете, который мы получаем, позволяет «заметить» гравитационное поле между Землей и далекими галактиками. Часто в этом поле оказывается больше массы — соответственно, и больше материи, — чем ученые могут объяснить.

Пример гравитационного линзирования, которое с точки зрения существующей теории доказывает наличие темной материи, — фотография скопления галактик Пуля, расположенного в созвездии Киля.

На снимке изображены последствия столкновения двух галактик. Красным на изображении показаны области видимой материи, синим — темная материя, наличие которой определено гравитационным линзированием.

Столь отчетливое разделение объясняется тем, что большая часть светящегося вещества в скоплении галактик находится во внутрикластерной среде — в горячей, плотной плазме. Когда части плазмы сталкиваются друг с другом, значительное количество вещества замедляется и остается в центре. Но темная материя слабо взаимодействует с веществом, поэтому ее компоненты из двух кластеров могут свободно проходить друг через друга — это приводит к изображенному на фотографии разделению.

Реликтовое излучение

В течение первых нескольких сотен тысяч лет после Большого взрыва Вселенная была достаточно горячей, чтобы сильно ионизироваться. Это на время делало ее почти непрозрачной для света — фотоны вращались, как и любая другая частица. Однако, когда все достаточно охладилось, значительные количества протонов и электронов объединились в нейтральный водород, который стал достаточно прозрачен для большей части окружающего его света. Это процесс произошел довольно быстро (с точки зрения космологического времени) — в результате весь свет, содержащийся во Вселенной, условно говоря, внезапно был выпущен наружу, сделав снимок на том этапе ее эволюции. Так упрощенно можно описать реликтовое излучение.

Чтобы зафиксировать этот свет, ученые могут направить радиотелескопы в любом направлении — и в зависимости от области наблюдений температура будет незначительно меняться. Разница в температуре объясняется наличием или отсутствием темной материи в этой области.

Что необычного нашли в первой галактике?

DF2 — галактика, которая входит в большую группу во главе с массивной эллиптической галактикой NGC 1052. Галактика привлекла внимание ученых тем, что она выглядела по-разному на фотографиях, сделанных аппаратами Dragonfly и Sloan Digital Sky Survey (SDSS). На первом галактика представляла собой пятно слабого света, тогда как на втором — группу точечных объектов.

На основе этих наблюдений ученые во главе с Питером ван Доккумом определили десять шаровых скоплений (большие группы старых звезд) внутри галактики и обнаружили, что они движутся в три раза медленнее, чем при наличии большого количества темной материи. Дело в том, что если бы масса была галактики была больше массы видимых объектов, скопления вращались быстрее.

Научное сообщество оценило публикацию критически — в качестве ошибки исследователей называлось то, что они наблюдали лишь за десятью скоплениями и только в течение двух ночей. Скептики посчитали, что ученые могли упустить из виду ключевые детали движения звездных скоплений, и это в результате исказило их оценку массы галактики и ее видимой материи.

А во второй?

Единственным способом доказать правильность своих наблюдений стал поиск второй галактики, в которой содержалось бы минимальное количество темной материи — и в марте 2019 года такая галактика была обнаружена.

Исследователи опубликовали две научные статьи — в первой они повторно измерили массу DF2 с помощью усовершенствованной камеры «Хаббла» и десятиметрового телескопа обсерватории Кека на Гавайях. На этот раз астрономы наблюдали не только за скоростью движения скоплений, но и за скоростью вращения звезд внутри них. В результате ученые установили, что DF2 является прозрачной ультрадиффузной галактикой, размер которой примерно соответствует Млечному пути. Только звезд в ней оказалось примерно в 200 раз меньше

Вторая статья была посвящена открытию подобной DF2 галактики — DF4, которая находится в том же скоплении рядом с галактикой NGC 1052. Исследователи полагают, что, во-первых, галактики с минимальным количеством темной материи — не редкость, и, во-вторых, что крупная галактика могла «украсть» темную материю у своих более мелких соседей.

Как отсутствие темной материи может служить доказательством ее наличия?

Для понимания утверждения, что отсутствие темной материи в двух галактиках подтверждает ее наличие во Вселенной в соответствии с Общей теорией относительности, стоит рассмотреть критику идеи о наличии темной материи.

Часть ученых не согласна с тем, что во Вселенной существует темная материя, а теоретические свидетельства ее наличия приписывают так называемой модифицированной ньютоновской динамике (MOND). Эта альтернативная теория гласит, что гравитация в космических масштабах работает не так, как предсказали Исаак Ньютон или Альберт Эйнштейн. Это значит, что Общая теория относительности, на которой строятся теории о существовании темной материи, в случае с галактиками не работает.

Например, физик-теоретик Эрик Верлинде из Амстердамского университета в 2016 году опубликовал научную статью, в которой рассмотрел гравитацию как побочный продукт квантовых взаимодействий и предположил, что дополнительная гравитация, приписываемая темной материи, является эффектом темной энергии — фоновой энергии, вплетенной в ткань пространства-времени Вселенной.

Другими словами, Верлинде считает, что темная материя — не материя, а лишь взаимодействие между обычной материей и темной энергией.

Открытие ученых из Йельского университета демонстрирует, что темная материя может быть отделена от обычной — при условии, что обе обнаруженные галактики ведут себя в соответствии со стандартной теорией гравитации. То есть происходящие в них процессы можно объяснить с помощью уравнений, открытых Ньютоном и Кеплером.

Какие остались вопросы

Открытие астрономов, если его удастся окончательно подтвердить в ходе будущих наблюдений, бросает вызов существующей теории о формировании галактик. В частности, речь идет о предположении, что более крупная NGC 1052 могла «украсть» темную материю у DF2 и DF4. Если это действительно возможно при условии сохранения упорядоченности, которая наблюдается в обеих наблюдаемых галактиках, то астрономам придется полностью пересмотреть механизм формирования и существования их.

«Мы надеемся выяснить, насколько распространены эти галактики и существуют ли они в других областях Вселенной. Хотим найти больше доказательств, которые помогут нам понять, как их свойства согласуются или не согласуются с нашими нынешними теориями. Мы надеемся, что это позволит сделать еще один шаг в понимании одной из самых больших загадок в нашей вселенной — природы темной материи», — рассказал Доккум в разговоре с Astronomy.


https://hightech.fm/2019/05/29/darkmatter/amp

Hubble Ultra Deep Field — снимок «Хаббла». Справа — увеличенное изображение галактики в разных диапазонах

Темная энергия начинает наблюдаться на масштабах примерно 30 миллионов световых лет — на таких масштабах еще гравитационно взаимодействуют скопления галактик. Скопления включают в себя десятки тысяч галактик, и, по идее, они должны притягиваться друг к другу. Некоторые скопления сливаются в сверхскопления, а некоторые не успевают этого сделать, потому что пространство растягивается и они удаляются друг от друга. Нам может казаться, что мы видим сверхскопление, но на самом деле входящие в него скопления постоянно удаляются друг от друга, и сила, воздействующая на них, сильнее, чем сила гравитации. На наших земных масштабах мы не можем этого ни увидеть, ни измерить, но можем оценить будущее состояние по скоростям движения галактик в скоплениях. Изучить темную материю мы можем, а темную энергию — пока нет. Темную материю ищут на Земле уже много лет, но пока безуспешно, но часть ее свойств хотя бы удалось измерить. Спутник Европейского Космического агентства Gala измерил свойства и физические параметры миллиарда звезд в нашей Галактике, в том числе и их движение. По этим движениям удалось восстановить скорость обращения звезд вокруг центра Галактики и обнаружить присутствие темной материи. По первым оценкам ее было примерно в два раза больше, чем видимой. По сравнению с другими галактиками это соотношение мало. Но это же говорит в пользу того, что темная материя не является отражением изменения закона Ньютона, то есть не работает гипотеза, что этот закон не действует на больших расстояниях. Такие попытки объяснения явления делаются в описании с помощью модифицированной ньютоновой динамики. Но если бы она работала правильно, то для всех объектов соотношение между видимой и темной материей было бы одинаковым, а оно разное в разных уголках Вселенной. Но в среднем темной материи примерно в 5,5 раз больше, чем видимой, причем как на малых масштабах (галактики), так и на крупных (скопления галактик). Эти цифры согласуются и с данными реликтового излучения.

Первые же наблюдения реликтового излучения показали, что Вселенная должна быть плоской. Имелось в виду, что сумма всех энергий, вещества и излучений, то есть их относительная плотность по отношению к критической, равна единице. Сейчас это измерено с точностью до четвертого знака после запятой. В 1992 году был запущен спутник СОВЕ, на нем работали три программы. Руководители двух из них, Джордж Смут и Джон Мазер, получили Нобелевские премии. Была построена карта неоднородностей реликтового излучения. По данным карты можно понять кривизну Вселенной. Форма пятен реликтового излучения при разной кривизне Вселенной разная (форма пятен довольно грубый образ, скорее лучше сравнивать параметры плотности). При этом с невысокой точностью (до первого знака после запятой) уже было известно, что Вселенная плоская, и отсюда возникал такой своеобразный парадокс, что во Вселенной должен быть еще какой-то компонент, делающий ее плоской, который и был впоследствии найден и назван темной энергией. Сегодня мы про плоскостность мира знаем уже до четвертого знака после запятой — это очень высокая точность.

Когда у нас есть теоретическое представление о чем-то, его обычно хочется подтвердить. Но есть люди, которые стараются его опровергнуть, и часто им это удается. Когда-то и модель Lambda-CDM стала опровержением для предшествующей. И поэтому понятие Стандартной модели зависит от эпохи развития астрономии. Текущая модель не меняется уже около двадцати лет, с того момента, как было открыто ускоренное расширение Вселенной. За это открытие Перлмуттер, Рисс и Шмидт получили Нобелевскую премию.

Космический телескоп Европейского космического агентства Gala, выведен на орбиту 19 декабря 2013 года, чтобы составить подробную карту распределения звезд в Млечном Пути.

Итак, темная материя темная потому, что она не взаимодействует электромагнитно. Ее состав пока неизвестен. Возможно, он какой-то комбинированный, но, скорее всего, она состоит из частиц. Мы знаем об этом потому, что нам известно о взаимодействиях между скоплениями галактик, которые прошли друг сквозь друга, причем в них провзаимодействовала плазма: массы межгалактического газа зацепились друг за друга, а искривление пространства ушло дальше (это явление в известном скоплении Пуля). Искривление пространства — это искажение формы галактик, которые находятся позади данного скопления. По нему удалось измерить реальную массу. Когда это сделали, стало понятно, что два облака темной материи прошли друг сквозь друга и отделились от газа, который следует за ними (как мы помним, темная материя притягивает видимое вещество). Это удалось заснять на телескопе Хаббл. Температура газа была измерена по рентгеновскому излучению, а по искривлению пространства в оптическом диапазоне измерена реальная масса, которая там есть.

Есть разные кандидаты в темную материю. Не так давно отрицалось, что ими могут быть черные дыры, но сейчас и они, только маленькие, стали опять рассматриваться на эту роль. Большие черные дыры — это в основном барионная материя. Они состоят из видимого вещества, кроме тех черных дыр, что дожили с самой ранней эпохи существования Вселенной — когда в первые мгновения, доли секунды, из темной материи можно было собрать эти первичные черные дыры. Впоследствии они могли бы поглотить немало видимой материи. В качестве кандидатов на роль темной материи предлагались так называемые MACHO-объекты — маленькие массивные объекты вроде коричневых карликов или нейтронных звезд. Оказалось, что их слишком мало, чтобы объяснить ее наличие во Вселенной. Если бы их было достаточно, мы бы видели эффект мерцания при прохождении света через эти объекты. Но мы не находим его в том количестве, в котором нужно. Хотя некоторые ученые не хотят окончательно отбрасывать эту гипотезу и утверждают, что состав темной материи смешанный и в нем есть след таких MACHO-объектов.

Я считаю, что это просто частицы, а не черные дыры. Но всегда найдутся несогласные, которые будут доказывать, что раз мы нашли черные дыры необычных масс, то это точно первичные черные дыры и их может быть больше, а соответственно, они вносят свой вклад. Необычная масса для черной дыры — это порядка 29–36 масс Солнца. И часть из них может быть кандидатами на темную материю. Кроме того, есть идея, что темная материя не просто холодная, а представляет собой смесь теплого и холодного вещества. Теплая материя имеет частицы большей энергии, и они могут двигаться с большими скоростями, а частицы холодной материи двигаются со скоростью от нескольких километров до 10 тысяч километров в секунду — это небольшие скорости, нерелятивистские. Те частицы, которые двигаются со скоростью до сотен тысяч километров в секунду, уже теплые. Но это тоже одна из версий. Пока у нас нет однозначных подтверждений, ее сложно проверить. Но эта идея не противоречит крупномасштабной структуре Вселенной, которая начинается с маленьких образований. И мы предполагаем, что эти вакуумные неоднородности связаны с темной материей и должны были выжить в самые ранние, самые первые моменты, и тогда позднее из них выросли структурные компоненты Вселенной. Если мы говорим, что темная материя релятивистская, то тогда все эти образования должны были разрушаться. И это дает ограничения на первичную энергию частиц, которую потом проверяют по получившимся массам.

Компьютерная модель черной дыры

Степень искривления пространства объектом определяется массой этого объекта. Мы можем легко представить себе этот процесс в двухмерном мире, а в трехмерном это сделать сложно. Чтобы увидеть искривление в трехмерном пространстве, нужно смотреть на него из четырехмерного, что для нас невозможно. Чем больше масса объекта, тем сильнее он искривляет пространство. Для черных дыр этот «провал» вообще будет бесконечным, они искривляют пространство до непредставимой глубины, и мы не знаем, что там происходит. Там должна работать квантовая гравитация, но описывающей ее теории не существует. Все вещество должно сжиматься в точку, но формулы для этого случая нет.

Самый тяжелый объект в нашей Вселенной — это сама Вселенная. Если не брать ее в расчет, то это сверхскопления. Черных дыр в галактиках значительно меньше, чем видимого вещества, хотя они из него и образуются. Масса галактики и масса ее центральной черной дыры соотносятся примерно как 1 к 1000. Поэтому с точки зрения формирования крупномасштабной структуры это не очень интересные объекты. А скопления галактик достигают 10^15 масс Солнца и размеров десятки миллионов световых лет.

Что произойдет со Вселенной в будущем

Скопления галактик — это довольно неустойчивые образования по сравнению, например, с Солнечной системой. Скопление Девы, на окраине которого мы живем, еще формируется, по сути: галактики летают в нем в основном хаотично, но внутри гравитационного колодца. В скоплениях пространство искривляется большой массой всего объекта, и поэтому в них нет такой стабильности, как в Солнечной системе, где есть центральный доминирующий объект, или даже в нашей Галактике.

Хотя и в скоплениях галактик есть центральная гигантская эллиптическая галактика. Галактики в скоплениях не заняли и не займут строго отведенного им места и орбиты, потому что их разделяет слишком много световых лет. Скопления галактик постоянно находятся в процессе формирования, но, похоже, так и не сформировываются до конца. Они стабильны в том смысле, что удерживаются взаимным притяжением и массой всего скопления, но не зафиксированы, как в стандартной системе, с постоянными орбитами.

Сверхскопления галактик — это набор скоплений, находящихся недалеко друг от друга или, например, прошедших друг через друга, как в скоплении Пуля. Это не динамические связанные системы, в отличие от простых скоплений. И участники сверхскоплений никогда не сольются и не объединятся, так как они удаляются друг от друга из-за расширения Вселенной. А динамические связанные скопления, напротив, продолжаются сближаться и сливаться. Некоторые из них образуют так называемые стены. Представление о стенах было очень популярно около тридцати лет назад, но сегодня понятно, что это просто крупные образования из групп галактик, а не что-то, что разделяет нашу Вселенную.

Грубо говоря, сейчас объекты местной группы, в которую входит наша Галактика, стремятся к некоему центру с определенными скоростями, то есть постепенно сближаются друг с другом. Можно было бы сказать, что однажды все участники местной группы сольются в один объект, но из-за взаимодействия с другими галактиками и влияния темной энергии этот прогноз осуществится нескоро. Но еще до этого неочевидного момента Млечный Путь сольется с Андромедой, и две спиральные галактики образуют эллиптическую. Она будет еще несколько десятков миллиардов лет летать в скоплении галактик, пока темная энергия все не разнесет (если придерживаться популярной гипотезы). На уровне скопления тоже присутствует центр, который обнаруживается благодаря большей массе и по отношению к которому двигаются все или почти все галактики местной группы. Местная группа движется в направлении скопления Девы, которое, в свою очередь, принадлежит сверхскоплению Ланиакея. А большая часть скоплений галактик тем временем удаляется друг от друга из-за расширения Вселенной.

Туманность Андромеды, ближайшая к Млечному Пути крупная галактика. Сначала считалось, что туманность — часть Млечного Пути, но благодаря Эдвину Хабблу стало понятно, что она находится слишком далеко от нас, чтобы быть частью нашей Галактики. Отсюда стало понятно, что другие галактики в принципе существуют и Млечный Путь не единственная упорядоченная звездная система во Вселенной.

Насчет будущего нашей Вселенной существует несколько теорий. Если мы предполагаем, что Вселенная расширяется ускоренно, то в конце концов не останется ничего, даже нашей Галактики. Мы даже не успеем это пронаблюдать: если сигнал идет до нас со скоростью света, то, когда он до нас дойдет, нас самих уже не будет.

Но мы не знаем, что будет в дальнейшем с темной энергией. Нам известно, что притяжение внутри скопления галактик сейчас сильнее этой темной энергии. И если оставить Вселенную без изменений, дать ей расширяться с одинаковой скоростью, а не ускоренно, то наше скопление так и останется условно неизменным на долгое время. Мы знаем это с точностью до 2%. Эту информацию дает один из параметров темной энергии — квинтэссенция (пятая сущность или пятая сила), описывающая в уравнении состояния динамически меняющееся скалярное поле. Его используют для описания одной из форм или моделей темной энергии. И если ее значение оказывается меньше минус единицы, то это особый случай квинтэссенции — так называемая фантомная энергия, которая может разорвать всю Вселенную из-за огромного давления темной энергии. Но мы пока не знаем этого наверняка.

С расширением Вселенной большая часть ее объектов однажды уйдет за пределы нашей видимости, за горизонт событий. Некоторые области удаляются от нас быстрее скорости света, и свет от них до нас просто не может дойти. Есть те области, которые уже ушли за горизонт, но свет от них, как и фотоны реликтового излучения из очень далеких областей, до нас все же дошел, и мы его сейчас видим.

Самый простой способ объяснить, что происходит при расширении Вселенной, — это использовать образ пирога с изюмом. Изюминки — скопления галактик. Когда этот пирог нагревается в печке, он поднимается, раздувается, и везде это происходит с одинаковой скоростью. Тогда если мы мысленно поделим этот пирог на равные участки и остановимся на одном, то ближайший к нему будет удаляться с определенной скоростью, второй от него — в два раза быстрее, третий — в три и так далее. И если у нас много таких участков, то есть пирог очень большой, то однажды мы дойдем до того, что они будут удаляться от нашего со скоростью света. При этом сами изюминки с такой высокой скоростью не движутся, а пирог раздувается.

Но Вселенная расширяется, и все больше галактик уходит за горизонт, и однажды наша местная группа останется в одиночестве. А однажды и его части тоже начнут удаляться друг от друга под действием темной энергии.

Источник

Теории эфира
идея, согласно которой существует некое вещество или поле, заполняющее пространство и являющееся средой для передачи и распространения электромагнитных и гравитационных взаимодействий.

Как мы узнали о структуре Вселенной

С изучением таких странностей стало понятно, что наши представления о мире были слишком обывательскими и на самом деле все гораздо сложнее. Сейчас исследование космоса настолько интересно и захватывающе, что это можно сравнить с эффектом от наркотического вещества, даже когда мы только предполагаем, что понимаем, как все устроено. На самом деле, конечно, никто не понимает всего, но многие предполагают, что знают, как все устроено. Но все равно хочется знать больше.

Фундаментальная революция в естествознании была бы невозможна без наблюдательных исследований. Так, в 1990-е годы наблюдательные эксперименты противоречили друг другу: в одном направлении Вселенная расширяется с замедлением, причем с разными скоростями, в другом, наоборот, с ускорением. Открытие темной энергии позволило объяснить эти наблюдения.

Карта микроволнового излучения, построенная WMAP

В XXI веке два спутника, WMAP и Planck, смогли измерить реликтовое излучение и уровень его неоднородностей. По ним удалось восстановить параметры, которые описывают нашу Вселенную. Благодаря этому мы теперь знаем ее историю с самого начала, кроме первых триллионных долей секунд сразу после Большого взрыва. Поэтому все, о чем обычно рассказывают космологи, — это наблюдательные данные. Космология стала очень точной наукой — точнее, чем физика звезд. Это удивительно. В прошлом веке считалось, что о звездах уже все известно и открывать там практически уже нечего, а сегодня, например, астрофизики активно исследуют роль магнитного поля в формировании звезд. Мы даже не знаем до конца, что происходит внутри Земли, откуда берется это тепло: она должна была остыть давным-давно, но ее тепло до сих пор удерживается. А в космологии можно говорить о точности до долей процентов, и именно это удивительно. Тридцать лет назад нельзя было и предположить, что получится измерить небо с такой точностью. В микроволновом фоне (миллиметровый диапазон длин волн) построена карта с высоким разрешением, и не одна. Все эти карты согласуются друг с другом, и по ним удалось восстановить, как развивалась Вселенная и как она будет эволюционировать в ближайшем будущем.

Самый первый момент существования Вселенной, первые десять в минус тридцать пятой степени секунды, когда из ничего появилось все, сегодня описывает теория инфляции. Ведутся наблюдения, результаты которых должны эту теорию либо опровергнуть, либо подтвердить. Большой вклад в эту идею внесли Алексей Старобинский, Андрей Линде, Алан Гут, Пол Стейнхардт и другие. Много групп сейчас работает и над альтернативными физическими моделями раннего развития Вселенной, например группа Валерия Рубакова.

Многие результаты, подтвержденные наблюдениями, сначала были предсказаны теоретически. Казалось бы, как Эйнштейн мог придумать теорию относительности? Она же совершенно неочевидна. Но ему не нравилось, что при переходе из одной системы координат в другую описание законов природы приходилось менять, и он фактически сделал это описание более красивым. При этом оказалось, что с помощью теории относительности можно объяснить почти все, за исключением новых облачков, связанных, например, с темной энергией, про которую тогда еще не знали. Потом у ОТО стало появляться все больше подтверждений. Точно так же существование реликтового излучения было сначала предсказано группой Георгия Гамова за двадцать лет до того, как его подтвердили экспериментально в наблюдениях лаборатории Bell Арно Пензиас и Роберт Уилсон. Можно отметить, что предсказания возможности и деталей наблюдения реликтового излучения делали Андрей Дорошкевич и Игорь Новиков за год до его открытия. В целом члены группы Якова Борисовича Зельдовича внесли практически доминирующий вклад в понимание формирования крупномасштабной структуры Вселенной, фактически создав современную релятивистскую астрофизику.

Инфляция
особая стадия ранней эволюции Вселенной, в ходе которой она чрезвычайно быстро
(за время ~ 10 –34 с) и сильно (в ~ 1043 раз) расширилась. По окончании инфляции Вселенная разогрелась до очень высокой температуры, после чего наступила эпоха горячего Большого взрыва.

Георгий Антонович Гамов (1904–1968), советский и американский физик-теоретик, астрофизик. Один из основоположников теории «горячей Вселенной», одним из первых начал применять ядерную физику к вопросу эволюции звезд, автор первой количественной теории альфа-распада. В 1933 году покинул СССР и позднее получил гражданство США.

Реликтовое излучение — главный источник информации о происхождении и свойствах структуры Вселенной. Хотя, конечно, только его одного не хватило бы для понимания устройства мира. Например, о том, что Вселенная расширяется с ускорением, мы знаем благодаря вспышкам сверхновых — «стандартных свечей». Нам известно, что, если Вселенная расширяется, свет претерпевает красное смещение. По красному смещению в зависимости от модели можно измерять расстояние — нужно только понять, какую модель выбрать. И если мы видим, что есть стандартная свеча, есть красное смещение, и это начинает работать на определенную модель. Эта модель — Lambda-CDM: Lambda — это темная энергия, а CDM — cold dark matter, холодная темная материя.

Есть и другие источники космологической информации: абсорбционные линии квазаров, измерения параметров радиоисточников с учетом их эволюции, стандартные линейки и тесты вроде парадокса Ольберса. Но когда мы знаем, что именно происходит, измерять параметры этого явления лучше всего именно с помощью реликтового излучения. И конечно, нужно сказать, что есть и прямые наблюдения распределения галактик в пространстве, а именно — крупномасштабной структуры, причем на классических телескопах в оптическом диапазоне, которые и показывают, что материя распределена во Вселенной в виде космической паутины на больших масштабах. И обычно получается, что все остальные эксперименты либо подтверждают информацию, которую мы получили с помощью реликтового излучения, либо минимально с ней не согласуются. Реликтовое излучение — главный источник информации, но если бы у нас было только оно одно, то не было бы подсказок, что именно исследовать. А так исследователи получают подсказки со стороны, проверяют их с помощью реликтового излучения и получают максимально точную информацию.

Сверхновая типа la, появляющаяся в результате взрыва белого карлика. Эта категория сверхновых обладает одинаковой максимальной светимостью и по этой причине используется в качестве стандартных измерителей — «стандартных свечей».

Чем темная материя отличается от темной энергии

По данным измерений космической миссии Planck темная материя составляет 26% всей энергии во Вселенной, 69% — темная энергия, и только оставшиеся несколько процентов приходятся на звезды, межзвездный и межгалактический газ и другие видимые космические объекты. Но между темной энергией и темной материей, хотя их ставят в один ряд, когда говорят о доле вещества во Вселенной, гигантская разница. Сбивает с толку слово «темный»: в этих двух случаях оно имеет разное значение.

Есть три основные компоненты (на самом деле их больше: есть и энергия, связанная с фотонами, есть еще связанная с нейтрино или другими частицами), с помощью которых измеряют всю энергию во Вселенной. Самая заметная из них — видимое вещество, которое еще называют барионным. Оно излучает и поглощает свет — электромагнитные волны, и поэтому оно видимое, в том числе и человеческому глазу. Параметры этого вещества можно измерить благодаря светимости звезд и галактик. Если мы знаем светимость галактики, то можем посчитать, сколько в ней звезд, а зная среднюю массу звезды — измерить массу галактики по ее свечению.

Еще один тип вещества, который участвует в гравитационном взаимодействии, — темная материя. Представим, что у нас есть разные состояния вещества: газ, жидкость, твердое, есть плазма и кварк-глюонная плазма, есть состояние, в котором вещество оказывается внутри черной дыры — мы ничего о нем не знаем. Есть вещество сверхтекучее, есть сверхпроводящее. А есть, условно говоря, состояние «темная материя»: в этом состоянии вещество взаимодействует гравитационно, но не взаимодействует электромагнитно. Таким образом, темное вещество — особая форма материи, отличная от простого фазового состояния видимого вещества. И даже не исключено, что ее частицы могут аннигилировать, взаимодействуя сами с собой и порождая высокоэнергичные фотоны, которые, в свою очередь, могли бы превращаться в пары электрон-позитрон. Или, например, если один из ее компонентов — это гипотетическая легкая частица аксион. Она бы могла превращаться в магнитном поле в фотон и обратно. Поиски таких частиц сейчас ведутся. Кроме того, возможно, что в общее понятие темной материи может попасть и небольшая часть ненаблюдаемого барионного вещества.

Темная материя распределена по Вселенной неравномерно: в среднем ее в пять-шесть раз больше, чем барионного вещества, но в некоторых участках ее в шестнадцать раз больше, а в других — только в два. В нашей Галактике темной материи, по последним оценкам, в два раза больше, чем видимого вещества. Но в любом случае ее больше, и видимое вещество — это лишь отражение распределения темной материи. Видимое вещество тянется за ней, то есть темная материя притягивает его. Вся крупномасштабная структура Вселенной состоит из темной материи, а видимая в нее как бы стекается. И темная материя темная потому, что она не излучает и не поглощает свет.

А что же такое темная энергия? Это нечто для нас непонятное, и слово «темная» здесь употребляется в значении «загадочное, неизвестное». Сам термин появился в 1990-е годы, когда были популярны «Звездные войны», где фигурировала Темная сторона. Есть ощущение, что термин «темная энергия» появился под влиянием этой популярности. Это не факт, но скорее наблюдение, предположение. Несмотря на загадочность этой энергии, мы знаем, что она существует, потому что Вселенная расширяется с ускорением, то есть на нее действует какая-то сила. Хотя темная энергия может быть и не силой, а свойством нашего вакуума. А может быть, это действие какой-то другой вселенной и уже относится к исследованиям мультивселенной. Если рассматривать эту гипотезу — воздействие соседней вселенной на наш наблюдаемый объект, — тогда это свойство n-мерной гравитации: мы живем в трехмерном мире, а на самом деле у мультивселенной измерений может быть больше, и мир большей размерности таким образом гравитационно взаимодействует с нашим. Но это только теории.

Но астрофизики любят то, что можно измерить точно, поэтому в основном стараются определять параметры, которые отсекают варианты, чем темная энергия точно может и не может быть. Но сейчас граница открыта, точного отсечения нет. Не исключено, что это на самом деле некое поле, которое действует на нашу Вселенную и в конце концов может привести к разрушению всего, что есть вокруг нас. Воздействие этого поля может быть таково, что Вселенная ускоряется-ускоряется-ускоряется, сила становится сильнее, чем все связи между материальными объектами, и начинают разрушаться крупные, гравитационно связанные структуры, а в конце концов нейтроны и протоны разорвутся на кварки, и что будет дальше — непонятно, потому что мы не знаем, из чего состоят кварки, если они вообще из чего-то состоят. Но может быть, это тоже будет разрушено и в каждой точке начнется своя вселенная. По оптимистичным прогнозам, это может произойти совсем скоро, примерно через 30–50 миллиардов лет. Это совсем мало. Если бы такой сценарий не реализовался, то гигантские сверхмассивные черные дыры, которые образуются в центрах галактик, могли бы существовать 10^120 лет, и только после этого, когда на них перестанет падать вещество, они бы начали испаряться благодаря излучению Хокинга. А темная энергия все растягивает, разрывает — и дает новую жизнь.

Источник