Что такое темная материя и темная энергия?
- Вместе взятые, темная материя и темная энергия составляют 95% всей Вселенной
- Темная материя обнаруживается по ее гравитационному воздействию на видимые объекты
- Темная энергия вызывает ускоренное расширение Вселенной
Когда мы смотрим в космос, мы видим Вселенную, полную звезд, планет и галактик. Наши глаза могут видеть многое, но то, что мы можем видеть, на самом деле составляет лишь малую часть того, из чего состоит Вселенная. Даже с технологией, разработанной для преодоления наших ограниченных чувств, 95% вселенной все еще невидимо для нас. Это потому, что большая часть космоса - это не то, что мы можем видеть, а скорее состоит из двух таинственных субстанций, называемых темной материей и темной энергией. Темная материя составляет примерно 27% от общего количества вещества во Вселенной, а темная энергия составляет 68%. Это означает, что вся видимая материя, которую мы можем видеть, все галактики, звезды и планеты, составляет всего лишь 5% от общего количества вещества во Вселенной. Все остальное не только невидимо, но мы практически ничего о нем не знаем. Что мы знаем о темной материи и темной энергии?
Темная Материя
Как упоминалось ранее, 27% вещества во Вселенной состоит из темной материи. Единственный аспект темной материи, который ученые действительно знают, - это то, что она оказывает гравитационное воздействие и не взаимодействует со светом или обычной материей иначе, как через гравитацию. Существование темной материи было впервые выдвинуто швейцарским астрономом Фрицем Цвикки в 1933 году. Наблюдая за скоплением галактик, называемым Скоплением Комы, он пытался измерить массу скопления. Используя математику гравитации, предложенную Ньютоном и Эйнштейном, он измерил общую массу скопления. Однако он быстро столкнулся с проблемой. Общая масса всех видимых галактик не могла объяснить, как скопление удерживается вместе. Согласно его расчетам, массы просто не хватало, чтобы удержать галактики вместе в группе. Исходя из самих законов физики, большинство скоплений галактик должны разваливаться, но это не так. Далее Цвикки предложил другое объяснение. Он выдвинул теорию о существовании некой формы материи, оказывающей гравитационное воздействие, которое удерживает галактики вместе. Эта неизвестная форма материи стала известна как темная материя, и с годами по всему космосу стало появляться все больше свидетельств ее существования.
В 1960-х годах американский астроном Вера Рубин сделает одно из самых волнующих и важных открытий, связанных с темной материей. В то время, когда женщинам в значительной степени не рекомендовали заниматься научной карьерой, Рубин станет первой женщиной, которая будет управлять Паломерской обсерваторией, где она сделает одно из самых важных открытий в космологии. Она задалась целью измерить скорости вращения галактик, которые, по прогнозам астрономов, будут вести себя аналогично планетам нашей солнечной системы. Чем ближе вы подходите к солнцу, тем быстрее планета совершает оборот по орбите. Например, Меркурий совершает один оборот каждые 88 дней, в то время как Нептун, самая удаленная от Солнца планета, совершает один оборот каждые 165 лет. Как и в нашей солнечной системе, было предсказано, что звезды, расположенные ближе к центру галактики, будут вращаться быстрее, чем звезды во внешних областях галактики. Однако, как и во многих других областях науки, природа не оправдывает наших ожиданий. Рубин обнаружил, что по большей части все звезды, по-видимому, вращаются вокруг центра галактики с относительно одинаковой скоростью. Учитывая распределение массы в большинстве галактик, этого не должно было происходить. Рубин поняла, что она обнаружила доказательства существования темной материи, гравитационное притяжение, которое она оказывает, заставляет звезды двигаться быстрее.
С момента открытия темной материи ученые ломали голову над тем, что же это такое. Возможно, некоторые полагали, что темная материя - это просто скопление более мелких объектов, которые мы не можем увидеть в телескоп, таких как блуждающие планеты, черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды. Однако, даже когда эти объекты учтены, цифры просто не дают представления о том, сколько темной материи необходимо для удержания Вселенной вместе. В последние годы одна линия доказательств оказалась наиболее убедительной: гравитационное линзирование. Это явление было впервые описано Альбертом Эйнштейном в его общей теории относительности. Эйнштейн предположил, что сама сила тяжести - это просто искривление и искривление пространства объектами, обладающими массой.
Например, солнце искривляет пространство вокруг себя, в то время как планеты движутся по самой кривизне самого пространства. Эйнштейн понял, что если это действительно так, то даже свет будет огибать объекты, когда он движется по искривленному пространству. Именно во время солнечного затмения была доказана теория гравитации Эйнштейна, поскольку астрономы наблюдали, как свет от фоновых звезд огибает солнце. Это явление известно как гравитационное линзирование, потому что, подобно увеличительному стеклу, само пространство может преломлять падающий свет и искажать и увеличивать удаленные объекты. Величина этого искривления может быть использована для определения массы объекта, который искривляет путь света. Следовательно, если 27% Вселенной составляет темная материя, гравитационное линзирование должно быть довольно распространенным явлением. С запуском космического телескопа "Хаббл" астрономы обнаружили гравитационное линзирование, происходящее по всей Вселенной. Как и открытия Цвикки и Рубина, гравитационное линзирование в некоторых скоплениях галактик не может быть объяснено массой видимых объектов. Скорее всего, расчеты выявили скрытую форму материи, создающую гравитационную силу. На данный момент астрономы очень мало знают о темной материи. До сих пор все эксперименты, направленные на выявление темной материи, заканчивались с пустыми руками.
Темная Энергия
С тех пор как существует Вселенная, пространство постоянно расширяется. Космос невероятно огромен, и пространство становится только больше. Вселенная сегодня больше, чем была вчера. Если вы перемотаете время назад достаточно далеко, то окажетесь в точке, где все пространство само по себе было сжато в одну точку. Первоначальное расширение Вселенной было огромным, однако оно начало замедляться через пару миллиардов лет после Большого взрыва. Понятно, что ученые предсказывали, что нынешнее расширение космоса будет замедляться. В конце концов, стало известно, что темная материя составляет очень большую часть Вселенной, и поэтому предполагалось, что гравитация будет постепенно замедлять расширение пространства, а сама Вселенная может начать сжиматься в отдаленном будущем. Чтобы доказать это предположение, две группы астрономов решили измерить скорость расширения Вселенной. В 1999 году они оба независимо опубликовали свои результаты и наблюдали одно и то же явление. Вместо того чтобы замедляться, пространство ускорялось. Чтобы определить, насколько быстро расширяется пространство, две команды решили найти способ определения расстояний до некоторых самых отдаленных точек во Вселенной.
Определение расстояний до внешних пределов наблюдаемой вселенной - непростая задача. Чтобы сделать это, им нужно было найти объект, абсолютную яркость которого можно было бы определить. Другими словами, им нужно было найти что-то, что всегда выделяет одинаковое количество энергии. Во Вселенной не так много вещей, которые делают это последовательно, но астрономам удалось найти процесс, который всегда выделяет одинаковое количество энергии. Когда у солнцеподобных звезд заканчивается полезный водород, они превращаются в красных гигантов и, в конечном счете, в белых карликов. Интересно, что у каждого белого карлика есть верхний предел того, насколько массивными они могут стать. Этот предел, называемый пределом Чандрасекара, составляет около 1,4 массы Солнца. Любой белый карлик, масса которого превысит эту, подвергнется мощной термоядерной реакции, приводящей к взрыву сверхновой, называемой сверхновой типа 1А. Поскольку каждый белый карлик имеет одинаковый верхний предел массы, количество выделяемой ими энергии будет одинаковым независимо от белого карлика. Хотя такие типы сверхновых встречаются редко, Вселенная достаточно велика, чтобы астрономы смогли найти их много.
Эффект Доплера
Зная точную энергетическую мощность сверхновой, астрономы могут определить расстояние до сверхновой. Более того, свет, испускаемый сверхновой, будет смещен в красный цвет, если она будет удаляться от нас. Эффект Доплера описывает это наблюдение, утверждая, что волны света могут растягиваться или сжиматься в зависимости от того, в каком направлении относительно нас движется объект, излучающий этот свет. Когда объект движется к нам, его свет становится сжатым, а синий смещается. Когда он удаляется от нас, его свет становится растянутым и смещается в красный цвет. Измеряя красное смещение и расстояние до сверхновых типа 1А, астрономы могут определить, насколько быстро галактика удаляется от нас. Проделав это для нескольких галактик и сверхновых, астрономы могут определить скорость расширения Вселенной. Данные показали неожиданный результат: темпы расширения ускоряются. Вместо того чтобы замедляться, как было предсказано, размер Вселенной ускоряется. Однако для того, чтобы пространство ускорялось, оно должно быть пронизано какой-то формой энергии, приводящей к этому ускорению. Вроде как вашему автомобилю нужна энергия, чтобы начать движение, и еще больше энергии требуется, чтобы он разогнался. Астрономы назвали эту энергию темной энергией, но это примерно все, что они знают о ней.
