Читать онлайн «Знание — сила, 2006 № 08 (950)» автора сила» Журнал «Знание — — RuLit — Страница 13

Объекты глубокого космоса > Темная материя и темная энергия

Темная материя и темная энергия

Что такое темная материя и темная энергия Вселенной: структура пространства с фото, объем в процентах, влияние на объекты, исследование, расширение Вселенной.

Около 80% пространства представлено материалом, который скрыт от прямого наблюдения. Речь идет о темной материи – вещество, которое не производит энергию и свет. Как же исследователи поняли, что оно доминирует?

В 1950-х годах ученые начали активно заниматься изучением других галактик. В ходе анализов заметили, что Вселенная наполнена большим количеством материала, чем удается уловить на «видимый глаз». Сторонники темной материи появлялись каждый день. Хотя прямых доказательств ее наличия не было, но теории росли, как и обходные пути наблюдения.

Видимый нами материал называют барионной материей. Она представлена протонами, нейтронами и электронами. Полагают, что темная материя способна совмещать в себе барионную и небарионную материю. Чтобы Вселенная оставалась в привычной целостности, темная материя обязана находиться в количестве 80%.

Неуловимое вещество может быть невероятно сложным для поисков, если вмещает барионное вещество. Среди претендентов называют коричневых и белых карликов, а также нейтронные звезды. Разницу могут прибавлять и сверхмассивные черные дыры. Но они должны были вносить больше влияния чем то, что видели ученые. Есть и те, кто думает, что темная материя должна состоять из чего-то более непривычного и редкого.

Комбинированное изображение телескопа Хаббл, отображающее призрачное кольцо темной материи в скоплении галактик Cl 0024 17.

Комбинированное изображение телескопа Хаббл, отображающее призрачное кольцо темной материи в скоплении галактик Cl 0024+17

Большая часть научного мира полагает, что неизвестное вещество представлено в основном небарионной материей. Наиболее популярный кандидат – WIMPS (слабо контактирующие массивные частицы), чья масса в 10-100 раз превосходит показатели протона. Но их взаимодействие с обычной материей слишком слабое, из-за чего сложнее находить.

Сейчас очень внимательно рассматривают и нейтралино – массивные гипотетические частички, превосходящие по массе нейтрино, но отличаются медлительностью. Их пока не нашли. В качестве возможных вариантов также учитывают меньшую нейтральную аксиому и нетронутые фотоны.

Еще один вариант – устаревшие знания о гравитации, которые требуют обновления.

Невидимая темная материя и темная энергия

Но, если мы чего-то не видим, как доказать, что оно существует? И с чего мы решили, что темная материя и темная энергия — это нечто реальное?

Масса крупных объектов вычисляется по их пространственному перемещению. В 50-х годах исследователи, рассматривавшие галактики спирального типа, предполагали, что приближенный к центру материал будет двигаться намного быстрее удаленного. Но выяснилось, что звезды перемещались с одинаковой скоростью, а значит, было намного больше массы, чем думали ранее. Изученный газ в эллиптических типах показал те же результаты. Напрашивался один и тот же вывод: если ориентироваться только на видимую массу, то галактические скопления давно бы разрушились.

Модель распределения темной материи во Вселенной 13.6 миллиардов лет назад.

Модель распределения темной материи во Вселенной 13.6 миллиардов лет назад.

Альберт Эйнштейн смог доказать, что крупные вселенские объекты способны изгибать и искажать световые лучи. Это позволило использовать их как естественную увеличительную линзу. Исследуя этот процесс, ученым удалось создать карту темной материи.

Получается, что большая часть нашего мира представлена все еще неуловимым веществом. Вы узнаете больше интересного о темной материи, если посмотрите видео.

Темная материя

Физик Дмитрий Казаков об общем энергетическом балансе Вселенной, теории скрытой массы и частицах темной материи:

Наблюдения сверхновых

То, что расширение пространства происходит с ускорением, стало окончательно ясно из наблюдений за сверхновыми звездами. В процессе исследований ученые заметили, что их яркость заметно ниже той, которая должна быть. То есть расстояние до этих звезд на деле было больше, чем вычислил Хаббл. Это дало понять, что расширение Вселенной постоянно ускоряется. На тот момент активно продвигалась теория о его замедлении, и такое открытие сильно ее подкосило. Та теория говорила, что большую часть массы Вселенной составляет видимая и темная материя. Однако, согласно новым данным, такое ускорение может происходить лишь благодаря какой-то невидимой энергии.

Темная материя и темная энергия

Если говорить о материи, то темная безусловно лидирует по процентному соотношению. Но в целом она занимает лишь четверть всего. Вселенная же изобилует темной энергией.

Изучение темной материи

С момента Большого Взрыва пространство запустило процесс расширения, что продолжается и сегодня. Исследователи полагали, что в итоге начальная энергия закончится и она замедлит свой ход. Но далекие сверхновые демонстрируют, что пространство не останавливается, а набирает скорость. Все это возможно только в том случае, если количество энергии настолько огромное, что преодолевает гравитационное влияние.

Читать онлайн «Знание — сила, 2006 № 08 (950)» автора сила» Журнал «Знание — — RuLit — Страница 13

«Новейшие успехи космологии поразительны. Астрономические наблюдения последних лет позволили обнаружить во Вселенной темную энергию, или космический вакуум. В мире присутствует не только всемирное тяготение, но и всемирное антитяготение».

В больших масштабах в современной Вселенной вакуум преобладает над обычным веществом, а его свойство отталкивания побеждает обычное тяготение. Поэтому галактики разбегаются друг от друга с возрастающими скоростями. Большой Взрыв продолжается, — утверждает Артур Чернин, — космологическое расширение происходит с ускорением, да и сама космология вступила сейчас в полосу взрывного развития: ее теоретические достижения и наблюдательные открытия следуют одно за другим с возрастающей быстротой. Стоит ли удивляться, что не только астрономы, но и прочие любознательные граждане сейчас пристально интересуются проблемами космологии. Издательство «Век-2» явно угадало с выбором этой темы, а профессор Чернин, как всегда — блестя ше воплотил идею в книжку. Ждем продолжения серии «Наука сегодня», ведь сегодняшняя наука — это наша завтрашняя жизнь.

Артур Чернин

Темная энергия и всемирное антитяготение

Сила, что движет мирами, — так говорили о тяготении на гротяжении трех с лишним веков, считая от ньютоновых «Начал» (1687 год). Однако в последние несколько лет стало ясно, что и Вселенной как целым, и галактиками вблизи нас движет не тяготение, а антитяготение, универсальная сила космического отталкивания. В 1998—99 годах антитяготение было открыто на самых больших космологических расстояниях порядка 1000 мегапарсек (Мпк), сравнимых с расстоянием до горизонта мира.

В 2000 году его присутствие было замечено также и на относительно малых расстояниях порядка 1 Мпк, в нашем ближайшем галактическом окружении.

Источник антитяготения

Если тяготение создается всеми телами природы — от элементарных частиц до гигантских скоплений и сверхскоплений галактик, — то источником антитяготения служат не тела, а некий не связанный с ними физический объект, который получил название «темной энергии». До 1998—2000 годов об антитяготении и темной энергии ничего не было известно ни из физических экспериментов, ни из астрономических наблюдений. Но в теоретической космологии возможность антитяготения давно уже обсуждалась. Гипотеза об универсальном космическом отталкивании была выдвинута в модифицированном варианте общей теории относительности, предложенном Эйнштейном в 1917 году (хотя таких слов, как антитяготение или темная энергия, у него не было ни тогда, ни позже). Антитяготение представлено в общей теории относительности всего одной величиной — эйнштейновской космологической постоянной.

Идея Эйнштейна получила развитие в середине 1960-х годов в работах Эраста Борисовича Глинера, работавшего тогда в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе в Ленинграде. Он показал, что гипотеза космологической постоянной эквивалентна предположению о том, что во Вселенной присутствует идеально однородная «среда» с плотностью, неизменной во времени и пространстве. Подобная среда является вакуумом: движение и покой относительно нее неразличимы, — таково основное механическое свойство вакуума. Далее мы будем говорить об этой среде как о вакууме Эйнштейна—Глинера (ЭГ- вакуум). Весьма вероятно — хотя это и не доказано пока окончательно прямыми наблюдениями, — что темная энергия — это энергия Э Г-вакуума.

Как бы то ни было, темная энергия определенно «темна», по крайней мере в двух смыслах. Во-первых, она невидима — не излучает света, не поглощает и не отражает его. Во-вторых, ее физическая природа и микроскопическая структура полностью неизвестны. При (почти катастрофическом) недостатке знаний о физике темной энергии, с нею тем не менее можно продуктивно работать, — прежде всего, наблюдать ее, что, конечно, важнее всего, но также и изучать ее теоретическими средствами.

В наблюдениях темная энергия предстает перед нами как объект, для которого вполне пригодно макроскопическое (то есть усредненное по определенным пространственным масштабам) описание. Макроскопическим уровнем приходится в основном ограничиваться пока и в теории. Но даже и в этом случае мы сталкиваемся с затруднениями, когда требуется (например, для педагогических целей) дать ей какое-то общее определение, — особенно в случае, если темная энергия необязательно тождественна энергии ЭГ-вакуума. Действительно, важнейшее отличительное свойство темной энергии понятно — она источник всемирного антитяготения: но не ясно, под какое более общее понятие физики ее можно было бы подвести. Если, однако, не стремиться к слишком большой строгости, то темную энергию можно и в самом общем случае понимать феноменологически как некую сплошную среду, заполняющую все пространство мира. Тогда она оказывается в одном ряду с другими компонентами космической среды, заполняющими то же пространство.

Темная материя и темная энергия: разъяснения 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.

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.

Методы поиска темной материи

Физик Антон Баушев о слабых взаимодействиях между частицами, радиоактивности и поиске следов аннигиляции:

Углубляемся в тайну темной материи и темной энергии

Еще ни раз ученые не смогли в буквальном смысле увидеть темную материю, потому что она не контактирует с барионной, а значит, остается неуловимой для света и прочих разновидностей электромагнитного излучения. Но исследователи уверены в ее присутствии, так как наблюдают за воздействием на галактики и скопления.

Стандартная физика говорит, что звезды, расположенные на краях галактики спирального типа, должны замедлять скорость. Но выходит так, что появляются звезды, чья скорость не подчиняется принципу расположения по отношению к центру. Это можно объяснить лишь тем, что звезды ощущают влияние от невидимой темной материи в ореоле вокруг галактики.

Наличие темной материи также способно расшифровать некоторые иллюзии, наблюдаемые во вселенских глубинах. Например, присутствие в галактиках странных колец и световых дуг. То есть, свет от отдаленных галактик проходит сквозь искажение и усиливается невидимым слоем темной материи (гравитационное линзирование).

Пока у нас есть несколько идей о том, что собою представляет темная материя. Главная мысль – это экзотические частицы, не контактирующие с обычной материей и светом, но имеющие власть в гравитационном смысле. Сейчас несколько групп (одни используют Большой адронный коллайдер) работают над созданием частиц темной материи, чтобы изучить их в лабораторных условиях.

Другие думают, что влияние можно объяснить фундаментальной модификацией гравитационной теории. Тогда получаем несколько форм гравитации, что существенно отличается от привычной картины и установленных физикой законов.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: