Темная материя и темная энергия
*Профессор вошла в класс и улыбнулась, видимо, стараясь загладить вину за свое опоздание.*
— Прошу простить меня за отнятые у вас десять минут лекции. Появились неотложные дела, и пришлось решать их незамедлительно. Итак, на прошлом занятии мы обсуждали теорию Большого взрыва и последствия, которых стоит ожидать в конце пути Вселенной. Сегодня мы закроем тему Большого взрыва, но сперва обсудим некоторые моменты — темную материю и темную энергию. Звучит загадочно, правда? Но для начала хочу рассказать несколько интересных фактов. Я не говорила раньше, но ближайшая к нам солнечная система находится на расстоянии 10 световых лет (94 миллиардов километров) от нас — это в 16 000 раз дальше, чем от Земли до Плутона. А расстояние до ближайшей к нам галактики, расположенной в созвездии Большого Пса, составляет более 80 000 световых лет. Это в 128 000 раз больше расстояния от нашей планеты до Плутона. Удивительно, да? Давайте представим себе, что по чистой случайности человечеству удалось создать космический корабль, который перемещается со скоростью света. Представили? Теперь предположим, что у Вселенной всё-таки есть край. Как вы думаете, сможет ли человек достигнуть того самого края?
*Профессор сделала паузу, давая ученикам возможность подумать. Желающих высказаться не нашлось, поэтому преподавательница продолжила:*— Время путешествия определенно сократится, но тогда понадобится 78 миллиардов лет, чтобы облететь всю Вселенную, — не каждая планета столько проживет, не говоря уже о людях. К тому же есть еще одна небольшая загвоздка. С момента Большого взрыва, который мы обсуждали на предыдущей лекции, Вселенная всё время расширяется, а звезды и галактики отдаляются друг от друга. Так что пока мы доберемся до "края", он, в свою очередь, продвинется вперед. Более того, большинство отдаленных галактик мчатся быстрее скорости света. Поэтому мы не сможем даже догнать их, не говоря уже о том, чтобы перегнать — и долететь до края расширяющейся Вселенной. В прошлой лекции я упоминала Большое сжатие, которое приведет к сближению всех структур космоса и возникновению сингулярности. Таким образом, Вселенная завершит свое существование, и в какой-то момент галактики действительно перестанут отдаляться. В это время межзвездный корабль теоретически сможет долететь до края Вселенной.
Но сейчас Вселенная не замедляется, поэтому наш с вами разговор является лишь плодом воображения. Ученые очень много лет пытаются разгадать тайну расширения, но большинство склоняется к мысли, что всему виной загадочная темная энергия, которая ускоряет этот процесс. Вот мы и подошли к теме сегодняшней лекции.
*Профессор присела на краешек стола и после секундной паузы продолжила лекцию:* — Открытие некой темной энергии и темной материи стало прогрессом, который породил еще большее количество вопросов. И сейчас вы поймете почему. Почти что тысячу лет мы смотрели на ночное небо и верили, что освещенное вещество — это всё, что выдумала природа. Сейчас ученые уже знают, что именно во тьме содержатся самые большие тайны нашего мира. Самой большой загадкой темной части космоса являются темная материя и темная энергия, которые составляют 96% всей Вселенной. Темная материя связывает звезды и удерживает галактики, а темная энергия создает пространство во Вселенной, удаляя галактики друг от друга. Миллиарды этих необычных частиц проходят сквозь всё в этом мире, оказывают влияние на галактики, их движение и скорость их вращения.
К началу 90-х годов с неплохой точностью была оценена и плотность энергии "нормальной" материи. "Нормальная" она в том смысле, что испытывает такие же гравитационные взаимодействия, как и обычное вещество. Но дело осложнилось тем, что большая часть этой "нормальной" материи — это не известное нам вещество, а так называемая темная материя.
— Профессор, но как ученые могли не заметить вещества, которое составляет около 96% всей Вселенной? — *выразила свое возмущение девочка с синей нашивкой на мантии.*— Хороший вопрос, но ученые напрямую не доказали существование темной материи. Ведь согласитесь, что наблюдать за невидимым веществом сложно. Темная материя не излучает и не поглощает света — вот почему раньше считали, что Вселенная состоит только из атомов и субатомных частиц (электронов, протонов, нейтронов). Исследования проводят в Миннесоте вот уже целых десять лет, но работа пока не принесла результатов.
Как же ученые пришли к тому, что всё-таки заподозрили существование темной материи и темной энергии? Предлагаю всем взять в руки перья и начать записывать.
Профессор из Калифорнийского технологического института изучал скопление галактик в созвездии Волосы Вероники и заметил кое-что странное: галактики двигались слишком быстро внутри скопления. По расчетам исследователя, там должно было быть в 160 раз больше освещенного вещества, чтобы объяснить такую скорость вращения. Он пришел к выводу, что что-то должно влиять на их движение, но не мог понять, что именно. Ученый осознал значимость присутствия темной материи и назвал ее «отсутствующей материей».
Темная материя — невидимая масса, обладающая силой притяжения и способная влиять на скорость и движение галактик в их скоплении. Темная материя не испускает ни одного из видов электромагнитного излучения (видимого света, микроволнового излучения, рентгеновского и др.) и не взаимодействует с ними. Теперь вы понимаете, что ее нельзя увидеть даже в самый новый и мощный телескоп. Революционная мысль, верно? Учитывая представления того времени. И казалось бы, что это открытие должно было породить множество споров, противоречий и контраргументов. Однако все восприняли его спокойно и не спешили с выводами, так как изучение Вселенной только начиналось.
Профессором, изучавшим Волосы Вероники, был
Фриц Цвикки. Как вы все уже знаете, согласно теории относительности и гравитации, все галактики во Вселенной притягиваются друг к другу. Это похоже на воздействие Солнца на нашу Солнечную систему. Масса Солнца притягивает Меркурий сильнее, чем Плутон, поскольку Меркурий расположен ближе к Солнцу. Этот же принцип должен относиться и к галактикам. Казалось бы, чем дальше от центра, тем медленнее должны двигаться небесные тела (чтобы оставаться на своих орбитах). Однако Цвикки этого не наблюдал, поскольку даже вдали от центра галактики скорость газа и пыли на орбите сохранялась неизменной. Внешние части галактик вращаются так быстро, что они, по идее, должны быть во много раз более массивными, так как существует вероятность разрыва галактики. Единственным объяснением этого парадокса было предположение о наличии некого вещества, которое окружает галактику и сохраняет ее целостность. Интересно, правда? Можно только представить себе, как много сил и времени потрачено на столь революционные предположения.
Кратко расскажу о методе, который всё-таки позволил определить наличие темной материи в космосе.
Гравитационное линзирование — это своего рода прожектор, высвечивающий невидимое вещество во Вселенной. Суть данного метода в том, что любая материя (в том числе и темная) может искривлять путь световых лучей. Этот метод прекрасен тем, что с его помощью можно определить не только массу темной материи, но и места ее скопления в космосе.
И именно после подтверждения существования темной материи (посредством использования метода гравитационного линзирования) началось самое интересное — споры. Вот тут ученые дали волю своей фантазии, так как нужно было четко ответить на следующий вопрос: является ли темная материя веществом, состоящим из абсолютно новых частиц?
*В глазах профессора проскочила искорка интереса, а речь стала более медленной и вдумчивой. Было понятно, что эта тема очень близка волшебнице.*— И первый ответ был таков: это обычная материя, из которой состоим мы все и окружающий нас мир.
Ученые стали более тщательно исследовать все объекты во Вселенной, которые не излучают света. Запомните, в отличие от многих известных частиц, эти не несут электрического заряда, а потому не излучают света. Это важно, так как состоящая из них материя действительно темная.
Итак, какие же предположения выдвигали ученые? Какие объекты попали в список подозреваемых?
1) Первый объект —
Черные дыры:а) не излучают света;
б) притягивают материю;
в) определяются методом гравитационного линзирования. 2)
Коричневые карлики также попали в список подозреваемых:
а) они достаточно массивны, чтобы считаться темной материей.Но это предположение сразу же откинули: чем бы ни была темная материя, но ее масса превышает общую массу планет и звезд в 10 раз. Всего вещества, которое можно создать из обычных атомов, будет недостаточно для объяснения общего количества материи, наблюдаемого в галактиках и их скоплениях.
3)
Нейтрино. Эти частицы тоже были пересмотрены и выдвинуты в качестве подозреваемых:
а) как и темная материя, эти частицы проходят сквозь Землю каждый миг (около миллиона частиц).Но они слишком легкие и не могут объяснить действие темной материи.
4) Другими возможными кандидатами на роль темной материи являются
аксионы. Они были придуманы для объяснения пробелов в одной из глав теории физических частиц. Аксионы:
а) крайне легкие;
б) возникли в момент Большого взрыва (по крайней мере, так полагают), как и темная материя;
в) теория допускает, что аксионы могут превращаться в протоны, а темная материя неизменна. Наконец-то исключив всевозможные частицы, ученые предполагают, что темная материя всё-таки является совершенно новым видом частиц. До открытия темной материи считалось, что Вселенная состоит из протонов, нейтронов и электронов, которые формируют абсолютно всё вокруг. Но опять-таки, чтобы стать идеальным кандидатом на роль темной материи, вещество должно обладать определенными физическими свойствами, и пока ни одна известная частица не подходит под такое описание.
Предлагаю сделать вывод и охарактеризовать
темную материю, чтобы в голове сложилась картинка. Запишите следующее:
— темная материя не движется слишком быстро;
— мы не можем ее увидеть;
— частицы темной материи не движутся со скоростью света;
— частицы темной материи ни с чем не взаимодействуют (с обычной материей), поэтому ее сложно определить.
Как вы видите, частицы темной материи исследовать очень сложно, поэтому нельзя обвинять ученых, что они упустили вещество, которое составляет 96% всей Вселенной. Ученые современности не стали опускать руки и предложили новых кандидатов на роль темной материи —
слабо взаимодействующие массивные частицы (СВМЧ), или же, другими словами, —
WIMP-ы.На карту поставлено почти всё, так как определение природы темной материи прольет свет на весь процесс образования Вселенной. Ученые считают, что темная материя возникла именно в момент Большого взрыва. Она играла огромную роль, помогая обычной материи преобразовываться в звезды и планеты. Представьте себе огромный каркас, служащий опорой для всего в этом мире. Вот и темная материя играет роль каркаса, на который крепится обычная материя.
Считается, что темная материя составляет 22% Вселенной, тогда как обычная материя — 4%. Но что же составляет остальные 74% Вселенной? Думаю, вы догадались, что теперь мы поговорим о темной энергии. Оказалось, что в космосе доминирует темная энергия, которая принимает участие в удалении галактик друг от друга. Ранее ученые считали, что хотя Вселенная и расширяется, но в конечном итоге этот процесс замедлится (как один из вариантов). Однако дальнейшие исследования показали, что Вселенная, наоборот, ускоряет темпы расширения. И тут есть важная деталь:
сами галактики стоят на месте, в то время как расширяется именно пространство между ними. В 1929 году Хаббл увидел, что дальние галактики дистанцируются от нашей быстрее ближних. Всё это означало, что существует некая сила отталкивания, которая доминирует над гравитацией. Вот эта сила, которая заполняет Вселенную и ускоряет ее расширение, и называется темной энергией.
Запишите несколько фактов, которые характеризуют
темную энергию: — темная материя и темная энергия противодействуют друг другу с начала времен;
— темная энергия образовалась из темной материи;
— темная энергия существовала во Вселенной всегда, однако сила притяжения темной материи ограничивала ее;
— именно после расширения Вселенной темная материя рассеялась по просторам Вселенной и потеряла контроль над темной энергией;
— темная энергия — константа, которая не играла особой роли в самом начале, когда Вселенная была горячей и плотной;
— темна энергия не скучивается, не собирается в объекты типа галактик или их скоплений;
— темная энергия "разлита" по Вселенной равномерно;
— темная энергия испытывает антигравитацию, то есть гравитационное отталкивание вместо гравитационного притяжения;
— плотность темной энергии не зависит от времени (Вселенная расширяется, объем ее растет, а плотность энергии остается постоянной).
Давайте сделаем вывод.
Расширение — это победа темной энергии над темной материей, которая запустила процесс расширения 5 миллиардов лет назад. Если темная энергия действительно существует и она постоянна во времени, то Вселенная будет всегда испытывать ускоренное расширение. Большинство галактик в конце концов удалится от нашей на громадное расстояние, и наша галактика вместе с немногими соседями окажется островком в пустоте. Если же темная энергия имеет плотность, которая возрастает безгранично, то расширение будет всё более и более быстрым. Оно настолько ускорится, что галактики будут вырваны из скоплений, звезды — из галактик, планеты — из Солнечной системы. Дело дойдет до того, что электроны оторвутся от атомов, а атомные ядра разделятся на протоны и нейтроны. Проще говоря, произойдет Большой взрыв.
Всё это, впрочем, относится к будущему. В ближайшие 20 миллиардов лет Вселенная будет оставаться почти такой же, как сейчас. У нас есть время для того, чтобы разобраться в свойствах темной энергии и тем самым более определенно предсказать будущее — а может быть, и повлиять на него. Запишите домашнее задание и можете быть свободны.
