Привет всем! Судя по всему, человечество ещё даже не приблизилось к разгадке тайны нашей Вселенной: менее 5 % от всего содержимого космоса составляет видимая материя, известная учёным, а что из себя представляют остальные 95 % материи и энергии им неизвестно, это тайна, покрытая мраком. Поэтому и «тёмная». По мнению учёных, тёмна энергия и материя имеют решающее значение в природе Вселенной и её эволюции.

Как всё начиналось

Впервые о том, что во Вселенной существует невидимая материя заговорил Фриц Цвикки. В 1933 году он заметил, что в крупном скоплении галактик Волосы Вероники масса всех звезд составляет всего лишь около 1 % от необходимой для того, чтобы удерживать галактики в гравитационном поле скопления. Галактики перемещались настолько быстро, что давным-давно должны были быть выброшены в космос, но, несмотря ни на что, оставались в скоплении. Что-то невидимое удерживало их вместе. Цвикки назвал это «недостающей массой».

В 1960-х годах Вера Рубин и Уильям Кент Форд использовали спектрометр для анализа света, исходящего от звёзд в различных частях спиральных галактик, начиная свои исследования с галактики Андромеды. Звёзды в диске галактики движутся по почти круговым орбитам вокруг центра. Если диск наклонён к наблюдателю, то звёзды с одной стороны от центра приближаются, а с другой — удаляются. Возникает эффект Допплера: приближение источника света вызывает сдвиг его излучения к синему концу спектра, а удаление — к красному. Смещение длины волны пропорционально скорости источника света относительно наблюдателя. Рубин и Форд провели точные измерения допплеровских смещений в нескольких галактиках, что позволило им рассчитать орбитальные скорости звёзд в различных частях исследуемых галактик.

Астрономы предположили, что большая часть массы и гравитации спиральной галактики сосредоточена в её центре из-за высокой концентрации видимых звёзд в центральной области. Если звезда находится дальше от центра галактики, то её орбитальная скорость должна быть ниже, что аналогично поведению планет в нашей Солнечной системе, где внешние планеты движутся медленнее, чем внутренние.

Рубин и Форд, начав свои допплеровские измерения, обнаружили неожиданное явление: звёзды на периферии галактик двигались так же быстро, как и те, что находились ближе к центру. Это было неожиданным, поскольку видимая масса галактики не обладала достаточной гравитацией, чтобы удерживать такие быстродвижущиеся звёзды на орбите. Из этого следовало, что во внешних регионах галактик должно быть много невидимой материи, которая обеспечивает необходимую гравитацию. Рубин и Форд исследовали множество спиральных галактик и всегда находили одно и то же явление, подтверждая наличие тёмной материи.

Их расчёты показали, что в галактиках содержится в десять раз больше тёмной массы, чем видимой материи, такой как звёзды. По меньшей мере 90 % массы галактик и наблюдаемой Вселенной остаются невидимыми и неопознанными. Видимые звезды представляют собой лишь малую часть массы галактики, находясь в её внутренней области, а основная масса сосредоточена в огромных сферических «гало» невидимой тёмной материи. Также появились предположения, что между галактиками могут существовать крупные скопления тёмной материи без видимых звезд.

В 1920-х годах астрономы, включая Эдвина Хаббла, обнаружили, что соседние галактики удаляются от нас, и чем дальше они находятся, тем быстрее они движутся. Эти наблюдения, в сочетании с общей теорией относительности Эйнштейна, привели учёных к выводу, что Вселенная расширяется, увлекая за собой галактики.

В 1998 году точные измерения космического расширения показали его ускорение. Это подтвердило наличие неизвестной силы, противодействующей гравитации и ускоряющей расширение Вселенной.

Эту загадочную силу называют «тёмной энергией».

Тёмная материя

Тёмная материя — это гипотетическая форма материи. Она не взаимодействует с электромагнитной силой, в отличие от обычной материи, она не поглощает, не отражает и не испускает свет. Учёные смогли сделать вывод о её существовании только благодаря гравитационным эффектам, которые она оказывает на видимую материю.

Есть теории о существовании холодной и тёплой тёмной материи, или одной из них. Пока нет определённости в этом вопросе. Предполагается, что «холодная тёмная материя» состоит из субатомных малоподвижных и тяжёлых частиц. А тёплая тёмная материя, наоборот, состоит из быстрых и лёгких частиц.

Лиянг Гао и Том Теунс провели исследование при помощи компьютерного моделирования, сравнивая эволюцию двух видов тёмной материи в молодой Вселенной. Вначале они демонстрировали синхронное поведение и образовывали сети нитей, находясь под влиянием гравитации. Но потом тёмная материя превратилась в пузырьки: частицы в процессе быстрого перемещения растягивались и принимали форму плотных тонких нитей. Затем они притягивали частицы обычной материи, формируя звёзды. В «холодной» модели пузырьки сохранили свою структуру и форму, в их центре формировались большие звёзды, которые быстро сгорали, превращаясь в тяжёлые элементы. Эти звезды взрывались, заполняя Вселенную новыми элементами и формируя следующее поколение звёзд.

После теоретического обоснования существования темной материи её преобладание в галактиках и их скоплениях было обнаружено с помощью гравитационного линзирования, при котором материя искривляет пространство и искажает прохождение фонового света. Наличие этой недостающей материи в центрах галактик и их скоплений было обнаружено на основе движения и тепла газа. Например, рентгеновская обсерватория Чандра наблюдала Скопление Пуля, состоящее из двух сливающихся скоплений галактик, где горячий газ (обычная видимая материя) замедляется из-за сопротивления одного скопления, проходящего через другое. Но общая масса скоплений остаётся неизменной, что указывает на то, что большая часть массы состоит из тёмной материи.

Одна из гипотез предполагает, что тёмная материя может состоять из суперсимметричных частиц — гипотетических частиц-партнёров, известных частиц Стандартной модели. Также учёные надеются, что исследования на Большом адронном коллайдере (БАК) предоставят более конкретные данные о природе тёмной материи. Но пока ещё БАК не показал таких результатов. Множество теорий предполагает, что частицы тёмной материи могут быть достаточно лёгкими, чтобы их можно было создать на БАК. Если бы такие частицы были произведены, они бы прошли через детекторы незамеченными, унося с собой энергию и импульс, по отсутствию которых учёные могли бы судить об их наличии.

Основные теории подразумевают слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP) и аксионы. Также существуют альтернативные модели, такие как модифицированная ньютоновская динамика (MOND), которые предполагают, что закон гравитации может действовать иначе на больших масштабах.

Тёмная энергия

Тёмная энергия составляет примерно 68 % всей массы и энергии Вселенной и, вероятно, связана с вакуумом космоса. Она равномерно распределена повсюду в пространстве и во времени. Её влияние не ослабевает по мере расширения Вселенной. Такое равномерное распределение приводит к тому, что она не оказывает локального гравитационного воздействия на отдельные объекты, а влияет на Вселенную в целом. Это вызывает отталкивающую силу, которая способствует ускорению расширения Вселенной.

Гипотез о природе тёмной энергии так же много, как и гипотез о тёмной материи. Приведём здесь несколько распространённых.

Космологическая постоянная или теория энергии вакуума. Согласно этой теории, тёмная энергия — это энергия вакуума. На заре 20 века считалось, что Вселенная остаётся неизменной, но теория Эйнштейна утверждала, что пространство динамично, поэтому он ввёл термин космологической постоянной. Позднее он назвал это своей самой большой ошибкой, когда появились доказательства расширения Вселенной, но концепция была полезной и переосмыслена в контексте современной теории.

Теория космологической постоянной является самой популярной гипотезой о тёмной энергии, однако её свойства и поведение остаются неопределёнными. Считается, что тёмная энергия может исходить от пар квантовых частиц, появляющихся и исчезающих мгновенно, но расчёты на основе квантовой теории показывают результат, который отличается более чем на 100 порядков от наблюдаемого во Вселенной.

Эволюционирующая тёмная энергия или теория квинтэссенции. Согласно этой гипотезе, тёмная энергия может быть результатом поля, подобного магнитному, которое пронизывает всю Вселенную. В отличие от неизменной константы, тёмная энергия может меняться со временем.

Но есть вероятность, что все существующие гипотезы о тёмной энергии окажутся ошибочными. Буквально в этом году учёные из Кентерберийского университета в Новой Зеландии поставили под сомнение её существование, используя обновлённый анализ кривых блеска сверхновых. Они обнаружили, что Вселенная расширяется неоднородно, и предложили временную модель космического расширения, которая объясняет различия в растяжении света не ускорением Вселенной, а способом калибровки времени и расстояния. Эта модель учитывает, что гравитация замедляет ход времени, создавая впечатление ускоренного расширения. Профессор Дэвид Уилтшир утверждает, что тёмная энергия является неправильным представлением изменений кинетической энергии расширения. Новые данные могут помочь разрешить загадку тёмной энергии к концу десятилетия.

Что ж, будем ждать следующих открытий, подтверждений и опровержений. Кажется, что учёным ещё очень далеко до момента, когда эта тайна Вселенной будет раскрыта. Хотя, возможно, квантовый компьютер и искусственный интеллект как-то ускорят этот процесс.