«тёмная» энергия и «тёмная» материя вселенной а.в. рыков

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.

Материалы по теме

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.

Тёмная энергия

Если тёмная материя кажется странной, то всё становится ещё более запутанным, когда мы добираемся до тёмной энергии.

Эйнштейн предсказал расширение Вселенной (скорость, которую мы теперь называем постоянной Хаббла и которая присутствовала в уравнениях общей теории относительности), но современные измерения показывают более высокую скорость, чем предсказал Эйнштейн. До того, как были сделаны эти измерения, считалось, что расширение Вселенной замедлится, и она в конечном итоге схлопнется снова в себя, но теперь наиболее вероятным результатом является то, что наша Вселенная будет продолжать расширяться всегда, что в конечном итоге приведет к так называемой тепловой смерти.

Это непрерывное ускорение Вселенной происходит благодаря тёмной энергии — отталкивающей силе, которая действует противоположным образом, чем тёмная материя, заставляя Вселенную расширяться, а не объединяться в организованные структуры. Это свойство, которое, по-видимому, является частью пустого пространства, а эта энергия более сильная и более концентрированная, чем всё остальное во Вселенной. Если это свойство пустого пространства, это означает, что пустое пространство — это не ничто, а что-то.

Нет никакого способа обнаружить или измерить тёмную энергию, но мы можем принять к сведению последствия её действия.

Как уже говорилось ранее, наиболее вероятным концом Вселенной является Тепловая смерть — расширение, приводящее к превращению вещества в излучение и остановке всех процессов во Вселенной спустя огромное количество времени. Эта Тепловая смерть является результатом продолжающегося расширения, вызванного тёмной энергией и отсутствием материи, необходимой для противодействия этому расширению. Но такая недостаточно плотная вселенная должна иметь очень странную форму. Вместо этого наша Вселенная почти совершенно плоская, что может быть возможно только благодаря притоку новой энергии во всем пространстве.


Возможные формы для Вселенной.

Согласно Общей теории относительности, энергия или масса искривляют пространство-время. Используем наглядный пример, чтобы лучше понять, как работает тёмная энергия.

Внутри резервуара под давлением быстро движущиеся частицы давят на его стенки. Это, однако, не механизм тёмной энергии, поскольку он имеет место только в том случае, если существует разность давлений между двумя областями. В примере с резервуаром снаружи есть меньшее давление, чем внутри, но у Вселенной нет этой проблемы — давление почти везде одинаково.

Тёмная энергия, как было показано, имеет отрицательное давление, давление, которое тянет внутрь. Но это вызывает удивительное противоречие, учитывая влияние тёмной энергии, вызывающее расширение Вселенной! Это происходит потому, что отрицательное давление не оказывает прямого влияния на гладкую вселенную, но оно вызывает релятивистское расширение, приводящее к антигравитации, доказанной математическими уравнениями.

Так откуда же берётся вся эта энергия? Мы не знаем. Может, ниоткуда. Закон сохранения энергии не применяется ко Вселенной, которая постоянно расширяется, так как общая теория относительности утверждает, что энергия может быть навсегда потеряна и получена из ничего.

Другие теории предполагают, что тёмная энергия — это неизвестная энергетическая жидкость или поле, которое каким-то образом оказывает противоположный эффект, чем нормальная энергия и материя. Возможно, это спонтанные частицы, которые приходят из ничего и возвращаются в ничто.

Кругом одни струны

Согласно теории струн, не проверенной, правда, в настоящее время экспериментально, все частицы не являются точечными, а представляют собой микроскопические одномерные объекты. То, что кажется нам различными частицами, в теории струн представляет собой разные колебательные состояния одного и того же объекта — фундаментальной струны.

Изначально теория струн была предложена в 1968 году для описания мезонов — сильновзаимодействующих частиц, состоящих из двух кварков, связанных глюонной «струной», обеспечивающей сильное взаимодействие между кварками. Но в начале 1970-х годов была разработана квантовополевая теория сильных взаимодействий — квантовая хромодинамика, — которая очень хорошо описывала взаимодействие адронов (по крайней мере при высоких энергиях), а кроме того было выяснено, что в теории струн обязательно возникает безмассовая частица со спином (внутренним моментом вращения), равным 2, которой не наблюдалось среди адронов.

Описание сильновзаимодействующих частиц на языке теории струн имело еще два фатальных недостатка: отсутствие среди частиц фермионов (имеющих полуцелый спин), которые прекрасно наблюдаются экспериментально (к таким частицам относятся нуклоны — протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра), а также наличие тахиона — частицы с отрицательным квадратом массы, которая всегда движется быстрее света, что несовместимо с теорией относительности. Это привело к тому, что теория струн была заброшена многими физиками, занимавшихся теорией поля и элементарными частицами.

Ситуация изменилась в 1984 году, когда на смену теории струн пришла так называемая теория суперструн (с тех пор физики работают только с ней, так что ее стали называть просто теорией струн, что и мы будем делать далее по тексту). Она содержит в своем спектре фермионы и не предсказывает тахиона (приставка «супер» возникла из-за того, что теория суперструн предсказывает существование определенной симметрии между частицами с целым и полуцелым спином — так называемой суперсимметрии). Кроме того, исследователи поняли, что безмассовую частицу со спином 2 нужно интерпретировать как гравитон — частицу, переносящую гравитационные взаимодействия, аналогично фотону, ответственному за электромагнитное взаимодействие. Одним из самых важных свойств теории струн было то, что взаимодействие этой частицы было самосогласованным — все вычисления приводили к конечным результатам, тогда как наивное квантование ОТО приводило к бессмысленным бесконечностям, то есть теория струн представляла собой квантовую теорию гравитации, которую физики пытались построить в течение многих десятилетий.

Одним из интересных свойств теории струн является предсказание размерности пространства-времени из требования математической самосогласованности теории. Эта размерность, правда, оказалась равной не 4, а 10, что на первый взгляд несовместимо с наблюдаемой размерностью пространства. Решением этой неувязки является представление пространства-времени в виде прямого произведения: в каждой точке нашего четырехмерного пространства-времени расположено крошечное шестимерное пространство специального вида, называемое многообразием Калаби — Яу (двухмерные проекции таких пространств изображены на рис. 1).

В качестве простой аналогии для описываемых теоретических построений хорошо подходит обычный прямой круговой цилиндр: его можно представить как совокупность одинаковых окружностей, проведенных в каждой точке данного отрезка (плоскости, в которых лежат окружности, перпендикулярны этому отрезку). Тем самым, цилиндр — это прямое произведение отрезка и окружности. Теперь посмотрим на длинный цилиндр издалека — он покажется нам одномерным, поскольку с большого расстояния его «толщина» неразличима. Примерно то же самое происходит и в теории струн — «сидящие» в каждой точке пространства многообразия Калаби — Яу являются такими маленькими, что мы не можем их явно зарегистрировать. Несмотря на это, разные формы многообразий Калаби — Яу, в которых движется колеблющаяся струна, приводят к различным наблюдаемым элементарным частицам и их взаимодействиям.

Проблема теории струн (иногда она называется проблемой струнного ландшафта) заключается в том, что различных многообразий Калаби — Яу существует огромное количество, и большая их часть приводит к совершенно не похожим на нашу четырёхмерным Вселенным.

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.

Про природу черных дыр и темной материи

Первые принято считать самым необъяснимыми объектами: концентрация масс вызывает коллапс. Происходит сжатие в малую точку атомов и ядер, а также других частиц. Все, что попало в черную дыру, останется там навсегда. Что ожидает концентрированную темную материю в момент встречи с ней? Каждая черная дыра увеличивается в размерах и поглощает любую материю и любой источник энергии, которые буду находиться слишком близко.

Когда такая область пространства-времени образуется впервые, в ее составе имеется стопроцентная обычная материя и совсем отсутствует темная. Помни, что последняя вступает во взаимодействие только гравитационно. Поэтому, ТМ – это источник пищи для черных дыр, но не самый лучший, так как никак не влияет на них.

Субстанция, обладающая антигравитацией

Распределение энергии во Вселенной

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.

Темная энергия вакуума

Вакуум в квантовой теории поля не является пустотой, а наполнен флуктуирующими полями вещества и излучения. Нетривиальность вакуума проявляется не только в космологии, но и в физике элементарных частиц — благодаря ненулевому значению поля Хиггса в вакууме элементарные частицы получают массу (см. Хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии), а кварковые и глюонные конденсаты оказывают существенное влияние на наблюдаемое поведение сильновзаимодействующих частиц, называемых адронами. Были вакуумные флуктуации измерены и в лабораторном эксперименте: благодаря флуктуациям электромагнитного поля возникает притягивание двух проводящих пластин, так называемый эффект Казимира. Существование флуктуирующих в вакууме полей приводит к тому, что плотность энергии вакуума не равна нулю.

Наблюдая за темпом расширения Вселенной (то есть изменением геометрии пространства-времени), можно установить общую плотность энергии во Вселенной, а вклад барионного вещества, электромагнитного излучения и темной материи можно извлечь из других наблюдений. Таким образом было установлено, что вклад темной энергии составляет около 74%. (Все числа, указанные на рис. 2, — это оценки вклада в энергетический баланс Вселенной, справедливые для настоящего момента, в прошлом они были другими. Зависимость этих величин от времени можно вычислить, и оказывается, что, например, вклад темной энергии в ранней Вселенной, возраст которой сейчас составляет примерно 13,7 миллиарда лет, был пренебрежимо мал.)

Так называемая проблема темной энергии заключается в том, что оцененное из размерных соображений значение плотности ее энергии оказывается намного больше наблюдаемого

Когда мы принимаем во внимание все известные поля, включая гравитационное, характерным масштабом энергий вакуумных флуктуаций становится так называемая планковская масса \(M_{Pl}\), выражающаяся через фундаментальные физические постоянные так:. Здесь \(\hbar\) — это постоянная Планка, \(c\) — скорость света в вакууме, \(G\) — гравитационная постоянная Ньютона

Тогда из соображений размерности можно ожидать, что плотность энергии вакуума должна примерно удовлетворять равенству \(\rho_{vac}\approx M_{Pl}^4\), что больше наблюдаемого значения, которое в привычных нам величинах равно около 10−29 грамм на кубический сантиметр, приблизительно в 10123 раз! Можно подумать, что экстраполировать наши знания о физике элементарных частиц до планковской массы неправомерно, так как даже в экспериментах на Большом адронном коллайдере (LHC) мы достигаем энергий столкновения частиц «всего лишь» порядка ELHC = 1 ТэВ, что меньше массы Планка примерно в 1015 раз. Но даже если допустить, что выше этого масштаба физика кардинально меняется и становится совершенно непохожей на то, как мы ее себе представляем, то ожидаемое характерное значение плотности энергии вакуума \(\rho_{vac}\approx E_{\mathrm{LHC}}^4\) все равно превышает наблюдаемое приблизительно в 1060 раз

Здесь \(\hbar\) — это постоянная Планка, \(c\) — скорость света в вакууме, \(G\) — гравитационная постоянная Ньютона. Тогда из соображений размерности можно ожидать, что плотность энергии вакуума должна примерно удовлетворять равенству \(\rho_{vac}\approx M_{Pl}^4\), что больше наблюдаемого значения, которое в привычных нам величинах равно около 10−29 грамм на кубический сантиметр, приблизительно в 10123 раз! Можно подумать, что экстраполировать наши знания о физике элементарных частиц до планковской массы неправомерно, так как даже в экспериментах на Большом адронном коллайдере (LHC) мы достигаем энергий столкновения частиц «всего лишь» порядка ELHC = 1 ТэВ, что меньше массы Планка примерно в 1015 раз. Но даже если допустить, что выше этого масштаба физика кардинально меняется и становится совершенно непохожей на то, как мы ее себе представляем, то ожидаемое характерное значение плотности энергии вакуума \(\rho_{vac}\approx E_{\mathrm{LHC}}^4\) все равно превышает наблюдаемое приблизительно в 1060 раз.

Вполне возможно, что для решения этой проблемы недостаточно нашего текущего понимания физики, основанного на квантовополевой Стандартной модели, описывающей элементарные частицы и их электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия, и неквантовой ОТО, хорошо объясняющей гравитационное взаимодействие на макроскопических масштабах. Вероятно, это является дополнительным указанием на необходимость построения квантовой теории гравитации, объединяющей все взаимодействия, включая гравитационное, в рамках нового единого формализма. Основным кандидатом на роль такой теории в настоящее время является теория струн.

Гениальные открытия Фрица Цвики

В 1933 году, Фриц Цвики обнаружил, что некоторые звезды вспыхивают, и прежде, чем вновь погаснуть, на протяжении нескольких недель светят ярче, чем их целая родительская галактика. Он предположил, что так гибнут массивные звезды. Взрываясь, они выбрасывают все свое вещество в космос. Это явление гибели звезды, ученые назвали – Сверхновой. Умирающая звезда, сжимается от, более чем полутора километров в диаметре, всего, до пятнадцати километров. Оставшееся ядро, обладает такой высокой плотностью, что мельчайшая ее крупинка, будет весить, как великая пирамида Хеопса. Оно практически целиком состоит из субатомных частиц, называемых нейтронами, поэтому, эти причудливые объекты, назвали нейтронными звездами.

И через тридцать пять лет, после предсказания их существования, астрономы стали их находить. Когда они быстро вращаются, и испускают периодические всплески радиоволн, мы зовем их – пульсарами.

Нейтронными звездами и Сверхновыми, можно объяснить широкий спектр космического излучения, но откуда берется, самое высокоэнергетическое излучение? Наука еще не может дать объяснение этому.

Цвики, была также выдвинута идея, что гравитация галактики деформирует ткань пространства и действует как линза. Свет от других галактик, находящихся сзади, искажается и притягивается, поэтому астрономы на Земле видят несколько искаженных изображений, одной и той же, удаленной галактики, совсем, как в кривом зеркале.

Спустя сорок лет после этого предсказания, мы наблюдали и это явление. Но Цвики сделал и, еще одно открытие, в далеких 30-х годах прошлого столетия. Изучая скопление галактик «Волосы Вероники», он отметил нечто любопытное. Эти галактики двигались слишком уж быстро. Быстро настолько, что они должны были бы по идее разлететься в разны стороны друг от друга, так как их собственной гравитации,  не хватило бы, чтобы сдержать скопления вместе. Цвики подумал, что там должно быть что-то еще, что сдерживает их. Эта недостающая составляющая должна была весить, примерно, в 50 раз больше, чем все те звезды. Но никто тогда не обратил должного внимания на этот невероятный факт.

В нашей Солнечной системе, ближайшая к Солнцу планета Меркурий, движется на много быстрее, самой отдаленной планеты – Нептуна. И в этом есть смысл. Чем сильнее вы, что-либо тянете или толкаете, тем быстрее, оно движется. Притяжение Солнца слабеет с расстоянием, поэтому дальние его планеты движутся медленнее. Все полагали, что та же картина будет наблюдаться в случае, отдаленных от центра галактики, звезд.

Что такое темная энергия

Свет от звезд, которые удаляются от нас, становятся красное смещение, то есть когда мы смотрим на свет, он кажется более красным, чем должен быть. В конце 1920-х годов Эдвин Хаббл понял, что большее количество звезд на расстоянии всегда имеют красные смещения, показывая, что вселенная расширяется. В конце 1990-х годов измерения расстояний и скоростей от звезд еще дальше с использованием сверхновых типа Ia показали, что Вселенная фактически расширяется сускоренная скорость, Этот тип ускорения не может происходить из обычной материи или темной материи, потому что они взаимодействуют через гравитацию и должны, на самом деле, работатьпротив расширение вселенной. Следовательно, темная энергия считается ответственной за ускорение расширения.

Еще одно свидетельство темной энергии исходит от небольших колебаний, присутствующих вкосмический микроволновый фон (CMB) излучение. Эти колебания показывают, что вселенная близка к тому, чтобы быть «плоской». Плотность массы-энергии обычной материи во вселенной далеко не достаточна, чтобы сделать ее плоской. Даже если мы включим темную материю, плотность все еще не хватает. Это может быть согласовано, если мы возьмем остальную часть массы-энергии из темной энергии. Из космических измерений микроволнового фона, сделанных

Массово-энергетическое содержание вселенной, составленное из данных WMAP (НАСА)

Следует отметить, что некоторые ученые не признают наличие темной материи и темной энергии. Вместо этого они поддерживают альтернативные теории для описания эффектов, которые мы приписываем темной материи и темной энергии. Эти теории часто добавляют модификации в теорию относительности, чтобы давать объяснения. Однако поддержка таких альтернативных объяснений истощается.

Удивительные наблюдения астронома Веры Рубен

Большинство звезд сконцентрировано в центре галактики, поэтому, их суммарная гравитация будет притягивать остальные звезды, так же, как и Солнце, притягивает свои планеты. Но в 70-х годах 20 века, астроном Вера Рубен, изучая галактику Андромеда, обнаружила, что внешние звезды не подчиняются этому правилу. В отличие от внешних планет Солнечной системы, отдаленные звезды в галактике двигались с той же скоростью, что и близкие к его центру. То есть, гораздо быстрее, чем это ожидалось. «Забавно», подумала Вера, « с галактикой Андромеда, должно быть что-то не так». Поэтому она пронаблюдала за еще одной галактикой – та же история. Затем за еще одной, еще, и т.д. Вера изучила 60 галактик, и выяснила, что все они, будто нарушают, закон тяготения – один из фундаментальных признаков физики.

После некоторого здорового скепсиса, ее коллеги прошли по стопам Веры и поняли, что она права. Закон всемирного тяготения Ньютона не ошибочен. Вера Рубен открыла, что звезды движутся так быстро из-за гравитации чего-то массивного и невидимого.

Фриц Цвики, еще в 1933 году, предсказывал неизвестный источник гравитации скопления галактик, который он назвал «темной материей»

Вера Рубен подтвердила существование нового, намного более широкого космоса. В нем, так же, как и в нашем, было полно загадок.

Темная материя невидима, ее можно засечь только, по оказываемому ею гравитационному эффекту, который заставляет видимые звезды и галактики двигаться быстрее. Ее происхождение это еще одна тайна, покрытая мраком. Рубен представила доказательства того, что невидимая нам материя, почти в десять раз больше, той, что мы можем наблюдать. Это, как мы, стоя на морском пляже, ошибочно приняли бы пену от волн за весь океан.

Вера Рубен, наблюдая за звездами, поняла, что они есть, только пена на волнах. Что огромнейшая часть океана остается неизвестной.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector