Тёмная энергия и тёмная материя

Тёмная энергия и тёмная материя

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?

Что такое темная энергия

Темная энергия (не путать с темной материей) – это гипотетическая сила, на которую приходится до 68,3 процента всей энергии в наблюдаемой Вселенной. И ученые считают, что эта энергия отталкивает галактики друг от друга. Тем не менее, несмотря на множество непрямых доказательств ее существования, никто так до сих пор и не смог напрямую определить наличие темной энергии или хотя бы адекватно объяснить, откуда она взялась.

Однако согласно новой гипотезе, ответ на этот вопрос лежал у нас в буквальном смысле перед носом. Согласно этой гипотезе, темная энергия – это абсолютно обыденная вещь, если рассматривать ее с точки зрения одного из фундаментальных законов Вселенной, о котором мы часто забываем, когда рассматриваем этот вопрос. Этим фундаментальным законом является закон сохранения энергии. О нем рассказывают еще в средней школе. Если простыми словами, гласит он следующее: энергию нельзя просто так создать или разрушить, она не может просто так исчезнуть. Единственное, что она может – это перетечь из одного состояния в другое или перейти от одного тела к другому. На этом законе держится большая часть нашей фундаментальной физики.

Все самые свежие новости из мира высоких технологий вы также можете найти в Google News.

Результаты нового исследования, проведенного группой физиков из разных институтов, говорят о том, что если в рамках самых ранних дней появления Вселенной имела место даже едва заметная утрата энергии, то это могло бы объяснить природу темной энергии, о которой сегодня говорят многие ученые. Авторы исследования добавляют, что, вполне возможно, эта утечка хоть и нарушала фундаментальный закон, но нарушала его настолько незначительно, что в итоге этого никто бы и не заметил.

Если темная материя не взаимодействует с нашей видимой материей, то каким образом ей удается удерживать галактики?

Поскольку никто не может объяснить движение галактик с помощью общепринятых законов физики, то приходится допустить существование кроме материи, видимой нами в форме звезд и газа, еще и “темный компонент”, точно соответствующий этой недостающей массе.

Единственное проявление темной материи – это гравитационное воздействие на “нормальную”, видимую нам обычную материю. Например, ученые установили: вращение галактик – включая и нашу, Млечный Путь – поддается объяснению лишь в случае, если их масса значительно превышает общую массу всех их звезд. Это положение распространяется и на большие космические объекты: галактические скопления и сверхскопления.

Предполагается также, что темная материя силой своей гравитации притягивает обычное вещество, что делает возможным образование более крупных структур, в том числе галактик.

Из чего состоит эта невидимая нам материя – представляет ли она собой экзотические частицы либо еще что-то – ученые не знают.

Темная энергия и материя во Вселенной

Альтернативная модель

Поэтому, учитывая важность понимания лежащей в его основе физики, актуальным является изучение альтернативных моделей. В новом исследовании исследователи Копенгагенского университета задали следующие вопросы: Что, если в реальности темной энергии не существует? Что, если вместо этого, это ускорение расширения Вселенной было работой. темной материи?

“Мы мало что знаем о темной материи, кроме того, что это тяжелые и медленные частицы. Но потом мы спросили себя – что, если бы темная материя имела качество, похожее на магнетизм, что бы произошло?“, – объясняет Стин Харле Хансен, главный автор этой работы .

Таким образом, этот вопрос послужил основой для разработки новой компьютерной модели. Грубо говоря, исследователи удалили темную энергию из уравнения и добавили некоторые дополнительные свойства к темной материи. Затем они оценили поведение Вселенной. И, что несколько удивительно, темная материя с магнитными возможностями оказала на расширение Космоса точно такой же эффект, как и темная энергия.

“Если то, что мы обнаружили, верно, это изменило бы нашу веру в то, что мы считали почти 70 процентами Вселенной, на самом деле не существует“, – сказал исследователь.

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.

Темная энергия «по-черному»

Около 2003 года физик Николай Горькавый, до того занимавшийся чисто «гравитационными» проблемами — типа колец Урана и его спутников, существование ряда из которых он предсказал по форме колец и до их открытия астрономами, — попробовал подойти к «темным материям» с другой стороны. Отталкиваясь от «гравитационного» видения мира, исследователь решил выяснить, каким может быть влияние черных дыр самых разных размеров на окружающую нас Вселенную. Особенно его заинтересовали процессы слияний ЧД, при которых значительная часть массы их обеих превращается в гравитационные волны (колебания пространства-времени). Если сами ЧД вполне притягивают к себе материю, то гравитационные волны этого не делают. Таким образом, получается, что в слияниях черных дыр масса как бы «исчезает», а на деле превращается в энергию гравиволн.

Исходя из этой модели, ученый обратился к выдвинутой еще создателем термина «Большой взрыв» Георгием Гамовым гипотезе о том, что Вселенная расширяется и сжимается циклически. Согласно расчетам Горькавого и его соавтора Василькова, получается, что при сжатии в конце каждого цикла существования Вселенной черные дыры слипаются во все более крупные объекты, попутно поглощая «мелочь» типа звезд и планет. В каждом таком слиянии лишь считанные проценты их массы превращаются в энергию гравиволн, но поскольку таких слияний очень много, то в конце значительная доля массы Вселенной превращается в энергию гравиволн. В этот момент происходит как бы скачок: в короткое по астрономическим меркам время исчезновение значительной массы сжимающейся Вселенной порождает не воронку гравитационного потенциала, а пик этого потенциала, который и вызывает разлет остальной части Вселенной во всех направлениях.

Со стороны это будет выглядеть именно как взрыв, при котором обломки летят в разные стороны. Именно так, в рамках гипотезы Горькавого и Василькова, цикл сжатия прежней Вселенной сменился циклом расширения нынешней Вселенной.

Казалось бы, при чем тут вообще темная материя и темная энергия? На деле связь самая прямая. Во-первых, в конце серии слияний ЧД из прошлой Вселенной должна была возникнуть самая крупная из всех черных дыр. Естественно, такая дыра имеет огромное влияние на окружающее ее пространство-время. Поглощая энергию гравиволн, она продолжит быстро наращивать свою массу, дополнительно усиливая свое гравитационное поле.

В итоге гравитация от нее будет настолько мощной и быстро усиливающейся, что первые ранние галактики Вселенной, разлетающиеся в стороны, в определенный момент почувствуют нарастающее торможение: те из них, что ближе к древней гипермассивной черной дыре, будут замедляться, а те, что дальше, продолжат лететь с меньшим замедлением. За счет этого фотоны от более далеких галактик будут казаться «краснее», чем они есть, а значит, и красное смещение от далеких объектов будет отличаться от ожидаемого.

Как известно, расстояние до далеких галактик определяют именно по красному смещению. Так что его «корректировка» гипермассивной черной дырой создаст у земного наблюдателя иллюзию ускоряющегося расширения Вселенной, несмотря на то что на практике такого ускоряющегося расширения не будет. В модели Горькавого Вселенная, разумеется, тоже расширяется, но без реального нарастающего ускорения. Итак, мы нашли неплохого кандидата на роль темной энергии — гипермассивную черную дыру. Что важно, корректность такого сценария — и само существования такой огромной древней ЧД — вполне можно проверить с помощью наблюдений, чего не скажешь о темной энергии в рамках гипотезы о том, что она суть энергия вакуума.

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.