Темная материя. И снова космологическая постоянная. Расширяющаяся Вселенная и темная энергия

Британские исследователи из радиоастрономической обсерватории Джодрелл Бэнк полагают, что наша Вселенная на две трети состоит из тёмной материи (Dark Matter). По другим оценкам обычное вещество составляет не более 10% от реально содержащейся во Вселенной материи. Можно сказать, что 90% материи во Вселенной представляет собой загадку. Это та материя, которую невозможно наблюдать в телескоп, которая не отражает лучи света и не излучает фотоны ни в каком диапазоне электромагнитного спектра. Фактически получается, что существует иной тип массы, некое невидимое вещество, из которого построена Вселенная.

Одним из существенных доказательств наличия тёмной материи во Вселенной можно считать данные, полученные в нулевые годы 21-го века на космическом телескопе «Хаббл» с помощью гравитационного линзирования. Мингкук Джеймс Джи (Myungkook James Jee), Х. Форд (Holland Ford) и другие исследователи из университета Джона Хопкинса, наблюдая за столкновением галактик, находящихся от нас на расстоянии в пять миллиардов световых лет, обнаружили, что их окружает кольцо из тёмной материи диаметром в 2,6 миллиона световых лет. Положение тёмной материи в этой области удалось вычислить, регистрируя слабые искажения излучения от более далёких галактик, которые находятся (по линии взгляда с Земли) за сталкивающимися звёздными системами.

К настоящему времени установлено, что самые малые непрерывно существующие сгустки тёмной материи занимают пространство в тысячу световых лет, а масса таких фрагментов в десятки раз превышает массу Солнца.

Впервые же о незримой материи заявил в 1930-е годы швейцарский астроном Фриц Цвикки (Fritz Zwicky). Он заметил, что скопление галактик в созвездии Волосы Вероники удерживается вместе более сильным гравитационным полем, чем-то, которое должно быть, исходя из видимой массы вещества в данной области. При детальном рассмотрении выяснилось, что светящегося вещества в этих скоплениях галактик было в несколько раз меньше, чем необходимо для их совместного нахождения за счёт силы тяготения. Поскольку закон тяготения никто не отменял, то ещё в те далёкие годы предположили, что существует некое невидимое вещество.

Современные исследования, проведённые с помощью орбитального зонда WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), показывают, что обычного вещества во Вселенной около 5%; 25% приходится на тёмную материю, а остальные 70% - на так называемую тёмную энергию (Dark Energy). Этот вывод сделали эксперты Принстонского университета, проанализировав данные с зонда WMAP, который был запущен американским космическим агентством NASA в 2001 году.

Однако в последнее время появились гипотезы, указывающие на то, что тёмной материи может и не быть.

Почётный профессор Торонтского университета Джон Моффат (John Moffat) и Джоэл Браунштейн (Joel Brownstein) из Канадского института теоретической физики разработали теорию модифицированной гравитации, которая полностью объясняет наблюдаемое поведение скоплений галактик. Два канадских физика вполне обходятся без тёмной материи. Они ввели в свою теоретическую разработку так называемые гравитоны, возникающие из вакуума, причём наиболее интенсивно гравитоны рождаются вблизи больших масс. Из чего следует, что в центре галактики (где сосредоточены крупные массы) два объекта притягиваются друг к другу сильнее, чем если бы они находились на её окраине.

* * *
Как бы то ни было, любая запутанная ситуация рано или поздно проясняется. Так случится и с тёмной материей: с ней неизбежно разберётся Время. На то оно и Верховный Судия.

Играет решающую роль в развитии Вселенной. Однако пока мало что известно об этой странной субстанции. Профессор Маттиас Бартельманн (Matthias Bartelmann) - Гейдельбергский институт теоретической астрофизики - объясняет, как проводились исследования тёмной материи, отвечая на ряд вопросов журналистов.

и каким образом она возникает?

Я понятия не имею! Пока никем. Вероятно, она состоит из тяжелых элементарных частиц. Но никто не знает, действительно ли это частицы. В любом случае, они очень отличаются от всего, что мы до этого знали.

Похоже на открытие целого нового вида животных?

Да, именно так, это хорошее сравнение.

Кто открыл темную материю и когда?

В 1933 году Фриц Цвикки (Fritz Zwicky) рассматривал движение галактик в галактических кластерах, которое зависит от общей массы скопления. Исследователь заметил, что галактики, учитывая их вычисленную массу, движутся очень быстро. Это был первый намек на темную материю. Никакой известной материей нельзя было объяснить, почему звезды в галактиках держатся вместе: они должны из-за свой высокой скорости обращения разлетаться.

Гравитационная линза Фото: Wissensschreiber

А какие еще есть доказательства?

Довольно хорошим доказательством является эффект гравитационной линзы. Далекие галактики кажутся нам искаженными, так как световые лучи отклоняются на своем пути от материи. Это напоминает взгляд через рифленое стекло. И эффект сильнее, чем он был бы, если существовала бы только видимая материя.

Как выглядит темная материя?

Её нельзя увидеть, так как отсутствует взаимодействие тёмной материи и электромагнитного излучения. Это означает, что она не отражает свет и не испускает никакого излучения.

А как вы тогда изучаете темную материю? Какие приборы необходимы для исследования?

Мы изучаем не конкретно темную материю, а лишь её проявления, например, эффект гравитационной линзы. Я теоретик. Собственно говоря, мне просто нужен мой компьютер, ручка и лист бумаги. Но я использую и данные больших телескопов на Гавайях и в Чили.

Можно ли изобразить темную материю?

Да, можно создать своего рода карту её распределения. Так же, как линии возвышенностей показывают на географической карте контуры горы, тут можно увидеть по плотности линий, где особенно много темной материи.

Когда она появилась?

Темная материя возникла либо непосредственно при Большом взрыве, либо 10000-100000 лет спустя. Но и это мы ещё изучаем.

Какое количество темной материи существует?

Этого никто не может точно сказать. Но, исходя из последних исследований, мы полагаем, что темной материи приблизительно в семь-восемь раз больше во Вселенной, чем видимой.

Компьютерное моделирование показывает распространение тёмной материи в виде паутины, причём её скопление мы видим на самых ярких участках
Фото: Volker Springel

Есть ли зависимость между тёмной энергией и тёмной материей?

Наверное, нет. Темная энергия обеспечивает ускоренное расширение Вселенной, тогда как темная материя удерживает вместе галактики.

Откуда она взялась?

Темная материя, вероятно, повсюду, только она распространена не равномерно - так же, как видимая материя, она образует сгустки.

Каково значение темной материи для нас и нашего мировоззрения?

Для повседневной жизни она не имеет значения. Но в астрофизике очень важна, так как играет решающую роль в развитии Вселенной.

Из чего состоит наша Вселенная? 4,9 % - видимая материя, 26,8 % тёмная материя, 68,3 % - тёмная энергия Фото: Wissensschreiber

Что она вызовет в будущем?

Наверное, больше ничего. Раньше для развития Вселенной она была очень важна. Сегодня она лишь по-прежнему удерживает вместе отдельные галактики. А так как Вселенная продолжает расширяться, то новым структурам из темной материи появляться становится все труднее.

Возможно ли будет в будущем напрямую отображать темную материю с помощью приборов?

Да, это возможно. Например, можно измерять колебания, которые возникают, когда частицы темной материи сталкиваются в кристалле с атомами. Аналогично происходит и в ускорителе частиц: если элементарные частицы, казалось бы, беспричинно летят в неожиданном направлении, то виной всему может быть неизвестная частица. Тогда это было бы еще одним доказательством существования темной материи. Представьте себе: вы стоите на футбольном поле и перед вами мяч. Он вдруг улетает безо всякой видимой причины. Его должно было сбить что-то невидимое.

А что вас в вашей работе интересует больше всего?

Меня привлекает предположение, согласно которому видимая материя является лишь малой долей всего, а мы не имеем никакого представления об остатке.

Спасибо, что Вы нашли время. Мы надеемся, что Вы вскоре узнаете ещё больше о темной материи!

Вселенная состоит всего на 4,9% из обычного вещества - барионной материи, из которой состоит наш мир. Большая часть 74% всей Вселенной приходится на загадочную тёмную энергию, а 26,8% массы во Вселенной приходится на неподвластные физическим законам, трудно обнаруживаемые частицы, названные тёмной материей.

Эта странная и необычная концепция тёмной материи была предложена в попытке пояснения необъяснимых астрономических явлений. Так о существовании некой мощной энергии, настолько плотной и массивной - её в пять раз больше, чем обычного вещества материи, из которой состоит наш мир, состоим мы, учёные заговорили после обнаружения непонятных явлений в гравитации звезд и формирования Вселенной.

Откуда появилась концепция тёмной материи?

Так, звёзды в спиральных галактиках, подобных нашей, имеют довольно высокую скорость обращения и по всем законам при таком быстром движении должны бы просто вылетать в межгалактическое пространство, как апельсины из опрокинувшейся корзины, но они не делают это. Их удерживает некая сильнейшая гравитационная сила, которая не регистрируется и не улавливается никакими нашими способами.

Еще интересное подтверждение о существовании некой темной материи учёные получили из исследований космического микроволнового фона. Они показали, что после Большого взрыва материя в самом начале была однородна распространена в пространстве, но в некоторых местах её плотность была несколько выше, чем в среднем. Эти области обладали более сильной гравитацией, в отличие от тех, которые их окружали, и при этом, притягивая к себе материю, они становились ещё плотней и массивней. Весь этот процесс должен был быть слишком медленным, чтобы за всего 13,8 млрд лет, (а это возраст Вселенной), сформировать крупные галактики, в том числе наш Млечный путь.

Таким образом, остается предположить, что ускоряет темп развития галактик, наличие достаточного для этого количества темной материи с её дополнительной гравитацией, значительно ускоряющей этот процесс.

Какая она - тёмная материя?

Одна из центральных идей, что чёрная материя состоит из ещё не открытых субатомных частиц. Что это за частицы и кто претендует на эту роль, кандидатов много.

Предполагается, что у фундаментальных элементарных частиц из семейства фермионов имеются суперсимметричные партнеры из другого семейства - бозонов. Такие слабовзаимодействующие массивные частицы имеют название WIMP (или просто вимпы). Самый легкий и при этом стабильный суперпартнер - нейтралино. Вот он, то и является наиболее вероятным кандидатом на роль веществ темной материи.

На данный момент попытки получить нейтралино или хотя бы схожую или вовсе другую частицу тёмной материи к успеху не привели. Пробы получения нейтралино предпринимались на сверхвысокоэнергичных столкновениях на получившем известность и разную оценку Большом адронном коллайдере. В будущем эксперименты будут проводиться с ещё большими энергиями столкновений, но и это не гарантирует, что будет обнаружены хоть какие-то модели тёмной материи.

Как говорит Мэттью Маккалоу (из Центра теоретической физики Массачусетского технологического института) - "Наш обычный мир устроен сложно, он не построен из однотипных частиц, а если тёмная материя тоже сложная?". По его теории, гипотетически тёмная материя может взаимодействовать сама с собой, но при этом игнорировать обычную материю. Именно поэтому мы и не можем заметить и как-то зарегистрировать её присутствие.

(Карта космического микроволнового фонового излучения (CMB), сделанному Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) )

Наша галактика Млечный путь состоит из огромных масштабов сферического вращающегося облака тёмной материи, в нём подмешано небольшое количество обычной материи, которая сжимается под действием гравитации. Быстрее это происходит между полюсами, не так, как в области экватора. Как результат, наша галактика приобретает вид сплющенного спирального диска из звёзд и погружается в сфероидальное облако тёмной материи.

Теории существования тёмной материи

Для объяснения природы недостающей массы во Вселенной выдвигались различные теории, так или иначе, говорящие о существовании тёмной материи. Вот некоторые из них:

• Гравитационное притяжение обычной регистрируемой материи во Вселенной не может объяснить странное движение звезд в галактиках, там где во внешних областях спиральных галактик звёзды обращаются настолько быстро, что должны были бы просто вылететь в межзвездное пространство. Что же их удерживает, если это невозможно зафиксировать.
• Существующая тёмная материя превосходит обычную материю Вселенной в 5,5 раз и только её дополнительная гравитация может объяснить нехарактерные движения звезд в спиральных галактиках.
• Возможные частицы тёмной материи вимпы (WIMP), они слабовзаимодействющие массивные частицы при этом сверрхтяжёлые суперсимметричные партнеры субатомных частиц. В теории существует свыше трёх пространственных измерений, недоступных для нас. Сложность в том, так как же их зарегистрировать, когда дополнительные измерения по теории Калуцы - Клейна оказываются для нас недоступными.

Возможно, ли зарегистрировать тёмную материю?

Сквозь Землю пролетают огромные количества частиц тёмной материи, но так как тёмная материя не взаимодействует, а если и есть взаимодействие то крайне слабое, практически нулевое, с обычной материей, то в большинстве экспериментов значительных результатов получено не было.

Тем не менее попытки зарегистрировать присутствие темной материи пробуются в экспериментах столкновения различных атомных ядер (кремния, ксенона, фтора, иода и других) в надежде увидеть отдачу от частицы тёмной материи.

В нейтринной астрономической обсерватории на станции Амундсена - Скотта с интересным названием IceCube проводятся исследования по обнаружению высокоэнергетичных нейтрино, рожденных за пределами Солнечной системы.

Здесь на Южном полюсе, где температура за бортом до -80 °C, на глубине 2,4 км подо льдом установлена высокоточная электроника, обеспечивающая непрерывный процесс наблюдения за загадочными процессами Вселенной, происходящими за гранью обычной материи. Пока это только попытки приблизится к отгадке глубочайших тайн Вселенной, но некоторые успехи уже есть, такие, как историческое открытие 28 нейтрино.

Итак. Невероятно интересно что, Вселенная, состоящая из тёмной материи, недоступной для видимого изучения нами, может оказаться во много раз сложнее устройства нашей Вселенной. А быть может, Вселенная из тёмной материи значительно превосходит нашу и именно там происходят все важные дела, отголоски которых мы пытаемся видеть в нашей обыкновенной материи, но это уже переходит в область научной фантастики.

Вопрос происхождения Вселенной, ее прошлого и будущего волновал людей с незапамятных времен. На протяжении многих веков теории возникали и опровергались, предлагая картину мира, опирающуюся на известные данные. Основательным потрясением для научного мира стала теория относительности Эйнштейна. Она же внесла огромный вклад в понимание процессов, формирующих Вселенную. Однако и теория относительности не могла претендовать на звание истины в последней инстанции, не требующей каких бы то ни было дополнений. Совершенствующиеся технологии позволили астрономам сделать немыслимые ранее открытия, которые потребовали новой теоретической базы или значительного расширения уже существующих положений. Одним из таких феноменов стала темная материя. Но обо всем по порядку.

Дела давно минувших дней

Для понимания термина «темная материя» вернемся в начало прошлого века. В то время главенствовало представление о Вселенной как о стационарной структуре. Между тем общая теория относительности (ОТО) предполагала, что рано или поздно приведет к «слипанию» всех объектов космоса в единый клубок, произойдет так называемый гравитационный коллапс. Между космическими объектами не существует сил отталкивания. Взаимное притяжение компенсируется центробежными силами, создающими постоянное движение звезд, планет и прочих тел. Таким образом поддерживается равновесие системы.

Для того чтобы предотвратить теоретический коллапс Вселенной, Эйнштейн ввел - величину, приводящую систему в необходимое стационарное состояние, но при этом фактически выдуманную, не имеющую очевидных оснований.

Расширяющаяся Вселенная

Вычисления и открытия Фридмана и Хаббла показали отсутствие необходимости нарушать стройные уравнения ОТО при помощи новой постоянной. Было доказано, и сегодня этот факт практически ни у кого не вызывает сомнений, что Вселенная расширяется, у нее было когда-то начало, и о стационарности речи идти не может. Дальнейшее развитие космологии привело к появлению теории большого взрыва. Главное подтверждение новых предположений — наблюдаемое увеличение со временем расстояния между галактиками. Именно измерение скорости удаления друг от друга соседних космических систем и привело к формированию гипотезы о том, что существует темная материя и темная энергия.

Данные, не согласующиеся с теорией

Фриц Цвикки в 1931 году, а потом и Ян Оорт в 1932-м и в 1960-х занимались подсчетом массы вещества галактик в удаленном скоплении и соотношения ее со скоростью удаления их друг от друга. Из раза в раз ученые приходили к одним и тем же выводам: такого количества вещества недостаточно, чтобы создаваемая им гравитация могла удержать вместе галактики, двигающиеся со столь большими скоростями. Цвикки и Оорт предположили, что существует скрытая масса, темная материя Вселенной, не позволяющая космическим объектам разлететься в разные стороны.

Однако гипотеза получила признание научного мира только в семидесятых годах, после оглашения результатов работы Веры Рубин.

Она построила кривые вращения, наглядно демонстрирующие зависимость скорости движения вещества галактики от расстояния, которое отделяет его от центра системы. Вопреки теоретическим предположениям оказалось, что скорости звезд по мере удаления от галактического центра не уменьшаются, а возрастают. Объяснить подобное поведение светил можно было только наличием у галактики гало, которое заполняет темная материя. Астрономия, таким образом, столкнулась с совершенно неизученной частью мироздания.

Свойства и состав

Темной этот называют потому, что ее нельзя увидеть никакими существующими способами. Ее присутствие опознается по косвенному признаку: темная материя создает гравитационное поле, при этом не излучая совершенно электромагнитных волн.

Важнейшей задачей, возникшей перед учеными, стало получение ответа на вопрос о том, из чего состоит эта материя. Астрофизики пытались «наполнить» ее привычным барионным веществом (барионная материя состоит из более или менее изученных протонов, нейтронов и электронов). В темное гало галактик включали компактные слабоизлучающие звезды типа и огромные, по массе приближенные к Юпитеру планеты. Однако подобные предположения не выдерживали проверки. Барионная материя, привычная и известная, таким образом, не может играть существенной роли в скрытой массе галактик.

Сегодня поиском неизвестных составляющих занимается физика. Практические изыскания ученых основываются на теории суперсимметрии микромира, согласно которой для каждой известной частицы существует суперсимметричная пара. Вот они-то и составляют темную материю. Однако доказательств существования подобных частиц пока получить не удалось, возможно, это дело ближайшего будущего.

Темная энергия

Открытием нового типа материи не закончились сюрпризы, которые подготовила Вселенная ученым. В 1998 году астрофизикам представился еще один шанс сопоставить данные теорий с фактами. Этот год ознаменовался взрывом в далекой от нас галактике.

Астрономы измерили расстояние до нее и крайне удивились полученным данным: звезда вспыхнула гораздо дальше, чем это должно было быть согласно существующей теории. Оказалось, что со временем увеличивается: сейчас она гораздо выше, чем была 14 миллиардов лет назад, когда предположительно случился большой взрыв.

Как известно, чтобы ускорить движение тела, ему нужно передать энергию. Силу, которая вынуждает Вселенную расширяться быстрее, стали называть темной энергией. Это не менее загадочная часть космоса, чем темная материя. Известно лишь, что для нее характерно равномерное распределение по всей Вселенной, а зарегистрировать ее воздействие можно лишь на огромных космических расстояниях.

И снова космологическая постоянная

Темная энергия пошатнула теорию большого взрыва. Часть научного мира скептически относится к возможности подобной субстанции и вызванного ей ускорения расширения. Некоторые астрофизики пытаются возродить забытую космологическую постоянную Эйнштейна, которая вновь из разряда большой научной ошибки может перейти в число рабочих гипотез. Ее присутствие в уравнениях создает антигравитацию, приводящую к ускорению расширения. Однако некоторые следствия наличия космологической постоянной не согласуются с данными наблюдений.

Сегодня темная материя и темная энергия, составляющие большую часть вещества во Вселенной, — загадки для ученых. Однозначного ответа на вопрос об их природе нет. Более того, возможно, это не последняя тайна, что хранит от нас космос. Темная материя и энергия могут стать преддверием новых открытий, способных перевернуть наше представление об устройстве Вселенной.

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

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?

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

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.

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

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.