Что такое темная материя и темная энергия?

Когда мы смотрим в космос, мы видим Вселенную, полную звезд, планет и галактик. Наши глаза могут видеть многое, но то, что мы видим на самом деле, составляет лишь малую часть того, из чего состоит Вселенная. Даже с технологиями, призванными преодолеть наши ограниченные чувства, 95% Вселенной по-прежнему невидимы для нас. Это потому, что большая часть Вселенной — это не то, что мы можем видеть, а скорее состоит из двух загадочных веществ, называемых темной материей и темной энергией. Темная материя составляет примерно 27% всех вещей во Вселенной, а темная энергия составляет 68%. Это означает, что вся видимая материя, которую мы можем видеть, все галактики, звезды и планеты составляют всего лишь 5% от общего количества вещей во Вселенной. Остальное не только невидимо, но мы почти ничего о нем не знаем. Что мы знаем о темной материи и темной энергии?

темная материя

Снимок Хаббла группы галактик в коме, НАСА

Как упоминалось ранее, 27% всего во Вселенной состоит из темной материи. Единственный аспект темной материи, который действительно известен ученым, заключается в том, что она оказывает гравитационное воздействие и взаимодействует со светом или обычной материей только посредством гравитации. Швейцарский астроном Фриц Цвикки впервые предположил существование темной материи в 1933 году. Наблюдая за группой галактик, называемой группой комы, он стремился измерить массу скопления. Используя математику гравитации, введенную Ньютоном и Эйнштейном, он измерил общую массу скопления. Однако вскоре он столкнулся с проблемой. Суммарная масса всех видимых галактик не может объяснить, как скопление держится вместе. По его расчетам, массы не хватило, чтобы удержать галактики вместе в группе. Согласно тем же законам физики, большинство скоплений галактик должны распасться, но это не так. Цвикки предложил другое объяснение. Он предположил, что некая форма материи оказывает гравитационное воздействие, удерживающее галактики вместе. Эта неизвестная форма материи стала известна как темная материя, и с течением времени во Вселенной стало появляться все больше свидетельств ее существования.

В 1960-х годах американский астроном Вера Рубин сделала одно из самых важных и захватывающих открытий, касающихся темной материи. В то время, когда женщинам в значительной степени не нравилось делать карьеру в науке, Робин стала первой женщиной, руководившей Паломерской обсерваторией, где ей предстояло сделать одно из самых важных открытий в космологии. Он намеревался измерить скорость вращения галактик, которые, как предсказывали астрономы, будут вести себя аналогично поведению планет в нашей Солнечной системе. Чем ближе вы к Солнцу, тем быстрее планета завершает свою орбиту. Например, Меркурий совершает один оборот за 88 дней, а Нептун, самая удаленная от Солнца планета, совершает один оборот за 165 лет. Как и в случае с нашей Солнечной системой, было предсказано, что звезды ближе к галактическому центру будут вращаться быстрее, чем звезды во внешних областях галактики. Однако, как и во многих других науках, природа бросает вызов нашим ожиданиям. Рубин обнаружил, что по большей части все звезды вращаются вокруг галактического центра с относительно одинаковой скоростью. Учитывая распределение массы в большинстве галактик, этого происходить не должно. Робин поняла, что она обнаружила признаки темной материи, поскольку гравитация заставляет звезды двигаться быстрее.

С момента открытия темной материи ученые ломали голову над тем, что же это такое. Некоторые могут подумать, что темная материя — это просто скопление более мелких объектов, которые мы не можем увидеть в телескоп, таких как планеты-изгои, черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды. Однако, даже если принять во внимание эти вещи, цифры просто не соответствуют количеству темной материи, необходимой для удержания Вселенной вместе. В последние годы одно доказательство оказалось наиболее убедительным: гравитационное линзирование. Альберт Эйнштейн впервые описал это явление в своей общей теории относительности. Эйнштейн предположил, что сама сила гравитации — это просто искривление и искривление пространства объектами массы.

Например, Солнце искривляет пространство вокруг себя, в то время как планеты движутся по той же кривизне пространства. Эйнштейн понял, что если бы это было действительно так, то даже свет огибал бы объекты, путешествуя по искривленному пространству. Во время солнечного затмения теория гравитации Эйнштейна была доказана, поскольку астрономы заметили, что свет от фоновых звезд огибает Солнце. Это явление известно как гравитационное линзирование, потому что, подобно увеличительному стеклу, само пространство может преломлять падающий свет, искривлять и увеличивать удаленные объекты. Величину этого кручения можно использовать для определения массы объекта, искривляющего путь света. Таким образом, если 27% Вселенной составляет темная материя, то обращение гравитации должно быть довольно распространенным явлением. С запуском космического телескопа Хаббл астрономы обнаружили гравитационное линзирование, которое происходит во Вселенной. Подобно открытиям Цвикки и Робина, гравитационное линзирование в некоторых скоплениях галактик нельзя объяснить массой видимых объектов. Вместо этого расчеты выявили тонкую форму материи, которая оказывает гравитационное воздействие. Пока что астрономы очень мало знают о темной материи. До сих пор все эксперименты, предназначенные для обнаружения темной материи, кажутся пустыми.

темная энергия

Хаббл наблюдает гравитационное линзирование галактик на этом изображении, НАСА
Хаббл наблюдает гравитационное линзирование галактик на этом изображении, НАСА

Пока существует Вселенная, пространство расширяется. Вселенная невероятно огромна, и пространство становится шире. Вселенная сегодня больше, чем вчера. Если вы повернете часы достаточно далеко, вы окажетесь в точке, где все пространство сжимается в одну точку. Первоначальное расширение Вселенной было огромным, но через несколько миллиардов лет после Большого взрыва оно начало замедляться. Понятно, что ученые предсказывали, что нынешнее расширение пространства замедлится. Ведь стало известно, что темная материя составляет очень большую часть Вселенной, а потому предполагалось, что гравитация будет постепенно замедлять расширение пространства и сама Вселенная может начать регрессировать в далеком будущем. Чтобы доказать это предположение, две группы астрономов решили измерить скорость расширения Вселенной. В 1999 году они оба независимо друг от друга опубликовали свои результаты и наблюдали одно и то же явление. Вместо замедления пространство ускорялось. Чтобы определить, насколько быстро расширяется пространство, две команды решили найти способ определить расстояния до некоторых из самых дальних точек во Вселенной.

Определение расстояний до внешних пределов видимой вселенной — непростая задача. Для этого им нужно было найти объект, абсолютную яркость которого можно было бы определить. Другими словами, им нужно было найти что-то, что всегда давало бы одинаковое количество энергии. Во Вселенной не так много вещей, которые делают это последовательно, но астрономы смогли найти процесс, который всегда выделяет одинаковое количество энергии. Когда у звезд, подобных Солнцу, заканчивается полезный водород, они превращаются в красных гигантов и, в конечном итоге, в белых карликов. Интересно, что у каждого белого карлика есть верхний предел его массы. Этот предел, называемый пределом Чандрасекара, составляет около 1,4 массы Солнца. Любой белый карлик сверх этой массы подвергнется термоядерной реакции на взлетно-посадочной полосе, что приведет к взрыву сверхновой, называемой сверхновой типа 1А. Поскольку каждый белый карлик имеет одинаковый верхний предел массы, количество выделяемой им энергии будет одинаковым независимо от белого карлика. Хотя эти типы сверхновых встречаются редко, Вселенная достаточно велика, чтобы астрономы смогли найти многие из них.

Эффект Допплера

Зная точный выход энергии сверхновой, астрономы могут определить расстояние до сверхновой. Более того, свет, излучаемый сверхновой, станет красным, если она удалится от нас. Эффект Доплера описывает это наблюдение, говоря, что световые волны могут растягиваться или сжиматься в зависимости от того, в каком направлении к нам излучается этот свет. Когда объект движется к нам, его свет сжимается и становится синим. Когда он удаляется от нас, его свет расширяется и становится красным. Измеряя красное смещение и расстояние до сверхновых типа 1А, астрономы могут определить, насколько быстро галактика удаляется от нас. Делая это со многими галактиками и сверхновыми, астрономы могут определить скорость расширения Вселенной. Данные показали неожиданный результат: скорость расширения ускоряется. Вместо того, чтобы замедляться, как ожидалось, размер Вселенной увеличивается. Однако, чтобы пространство начало ускоряться, его должна пронизать какая-то форма энергии, которая вызывает это ускорение. Типа любит, как вашему автомобилю нужна энергия, чтобы двигаться, и больше энергии нужно, чтобы ускорить его. Астрономы назвали эту энергию темной энергией, но это все, что они о ней знают.

Leave a Comment