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 скрывает темная материя и почему ученые до сих пор не смогли доказать ее существование

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.

Читайте «Хайтек» в

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.

Разъяснение загадки

Мы знаем, что Вселенная, по большей части, представлена темной энергией. Это загадочная сила, которая приводит к тому, что пространство увеличивает скорость расширения Вселенной. Еще одним таинственным компонентом выступает темная материя, поддерживающая контакт с объектами только при помощи гравитации.

Ученые не могут разглядеть темную материю в прямом наблюдении, но эффекты доступны для изучения. Им удается уловить свет, изогнутый гравитационной силой невидимых объектов (гравитационное линзирование). Также замечают моменты, когда звезда совершает обороты вокруг галактики намного быстрее, чем должна.

Все это объясняется наличием огромного количества неуловимого вещества, воздействующего на массу и скорость. На самом деле, это вещество покрыто тайнами. Получается, что исследователи скорее могут сказать не, что перед ними, а чем «оно» не является.

На этом коллаже показаны изображения шести разных галактических скоплений, сделанные при помощи космического телескопа НАСА Хаббл. Кластеры были обнаружены во время попыток исследовать поведение темной материи в галактических скоплениях при их столкновении

Темная материя… темная. Она не производит свет и не наблюдается в прямой обзор. Следовательно, исключаем звезды и планеты.

Она не выступает облаком обычной материи (такие частички называют барионами). Если бы барионы присутствовали в темной материи, то она проявилась бы в прямом наблюдении.

Исключаем также черные дыры, потому что они выступают гравитационными линзами, излучающими свет. Ученые не наблюдают достаточного количества событий линзирования, чтобы вычислить объем темной материи, которая должна присутствовать.

Хотя Вселенная – огромнейшее место, но началось все с наименьших структур. Полагают, что темная материя приступила к конденсации, чтобы создать «строительные блоки» с нормальной материей, произведя первые галактики и скопления.

Чтобы отыскать темную материю, ученые применяют различные методы:

• Большой адронный коллайдер.
• инструменты, вроде WNAP и космическая обсерватория Планка.
• эксперименты прямого обзора: ArDM, CDMS, Zeplin, XENON, WARP и ArDM.
• косвенное обнаружение: детекторы гамма-лучей (Ферми), нейтринные телескопы (IceCube), детекторы антивещества (PAMELA), рентгеновские и радиодатчики.

Квантовая механика

Квантовая механика скрывает за собой самые интересные тайны Вселенной. Выше уже было сказано: законы квантовой механики идеально функционируют для описания взаимодействий субатомных частиц, однако для описания природы массивных тел, будь то стул и стол или звезда и галактика, квантмех непригоден.

Но что будет, если включить фантазию? В этом разделе физики есть, как минимум, два явления, достойных внимания и ближайшего рассмотрения. Первое из них называется суперпозиция. Некая частица обладает сразу несколькими состояниями до тех пор, пока её не измерят — всё зависит от нас, наблюдателей. Здесь же уместно вспомнить замученного интернет-пользователями кота Шрёдингера : теоретик придумал этот мысленный эксперимент именно для иллюстрации понятия суперпозиции — кот жив и мёртв одновременно, пока коробку не откроют и наблюдатель не сыграет свою роль.

По принципу суперпозиции строятся квантовые компьютеры. В них вместо привычных битов функционируют кубиты (qubit, quantum bit — квантовый бит), которые принимают значения «0» и «1» одновременно. За счёт этого увеличивается скорость вычислений и, соответственно, производительность компьютера.

Другое квантовомеханическое явление называется квантовой запутанностью. Представьте себе две частицы, разведённые по разным концам Вселенной. Если они «запутаны» друг с другом, то как только одна из них примет определённое состояние, другая мгновенно пример противоположное. Если бы они сообщались посредством какого-либо электрического сигнала, то он шёл бы миллиарды лет, а тут смена происходит одновременно.

Фантазии на тему квантовой запутанности приводят учёных к разным выводам. Например, крупная команда исследователей из Принстона, Стэнфорда и Вашингтонского университета рассмотрела это явление с точки зрения макромира, то есть Общей теории относительности. Как показали расчёты, с математической точки зрения связь запутанности между двумя частицами полностью идентична червоточине — гипотетическому туннелю между двумя чёрными дырами, сквозь который можно путешествовать по пространству и времени.

И если представить, что наша Вселенная — всего лишь голограмма, проекция от другой или других миров, это математически означает, что то, что мы видим как квантовую запутанность, есть червоточина, только в четырёхмерном мире.

Исследованием голографического принципа занимается и всю жизнь занимался аргентинец Хуан Малдасена (Juan Maldacena). Изучая квантовую механику, учёный пришёл к выводу, что с ОТО её может примирить лишь теория струн, пока что полностью математическая. В рамках этой теории действует принцип, согласно которому наша Вселенная — результат проекций нескольких других измерений, от каждой из последних взявший по одному измерению.

На одной идее о квантовой запутанности можно зайти очень далеко. В конце концов, мгновенная передача какой-либо информации есть прямо нарушение принципа непреодолимости скорости света. Если когда-нибудь кто-нибудь придумает, как заставить запутанные частицы передавать нужную нам информацию — а пока что к этому не подобрались даже теоретики — то у нас появится шанс, к примеру, связаться с обитателями далёких планет. Если на них, конечно, вообще кто-то живет.

А если придумают как по запутанности передавать материю, то мечты фантастов о телепортации станут реальностью.

Кстати, за чудесами физики не надо лезть ни в чёрную дыру, ни нырять внутрь атома, достаточно выйти завтра утром на пробежку. Знайте, чем быстрее вы бежите сквозь пространство, тем медленнее движетесь сквозь время. Так что душ будете принимать не только постройневшим, но и помолодевшим.

Текст: Ася Горина, редактор «Вести Наука».