Выдвинута новая теория, объясняющая темное вещество и темную энергию

Объекты глубокого космоса > 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

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.

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:

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.

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.

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

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:

Альтернативный взгляд

Научный мир обсуждает эксперимент венгерских учёных, позволивший говорить об открытии новой элементарной частицы и нового способа взаимодействия частиц между собой. Это могло бы стать самым крупным научным открытием XXI века. Сотрудник Института прикладной физики РАН и автор научно-популярного блога physh.ru Артём Коржиманов разбирается, насколько правдоподобна эта гипотеза и достоверны ли результаты эксперимента.

В основе всех процессов, происходящих в известном нам мире, с точки зрения физики лежат четыре способа взаимодействия элементарных частиц: гравитация, электромагнетизм (проявлением которого являются в том числе силы трения или упругости), сильное ядерное и слабое ядерное взаимодействие. Три последних имеют много общего и объединены в единую теоретическую конструкцию, которая называется Стандартной моделью.

—

Фото: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration

Однако ещё в 1920-х годах учёные выяснили, что звёзды нашей галактики — Млечного Пути — вращаются вокруг её центра значительно быстрее, чем должны, если исходить из известных законов и видимого количества вещества. Это дало основания предположить, что во Вселенной существует вещество, состоящее из неких ранее неизвестных частиц — его принято называть тёмной материей. Достаточно естественно при этом предположить, что частицы тёмной материи могут взаимодействовать между собой при помощи силы, которая не существует между обычными для нас частицами. Если так, то такое взаимодействие является пятой фундаментальной силой, существующей в нашем мире.

Тёмный кандидат

Обнаружить одного из кандидатов на роль составляющей тёмной материи — так называемый тёмный фотон — попыталась группа экспериментаторов из Atomki, Института ядерных исследований Венгерской академии наук.
Рекламное видео:
В распоряжении сотрудников Atomki имелся небольшой ускоритель заряженных частиц, с помощью которого на образец лития посылался поток протонов. В результате происходило образование ядер бериллия-8. Эти ядра радиоактивны и распадаются через доли секунды. Обычно при этом происходит испускание фотона, но в среднем один раз из тысячи этот фотон ещё в ядре превращается в две других частицы — электрон и позитрон. Поведение этих двух частиц позволило венгерским учёным предположить, что в определённых довольно специфических условиях фотон на некоторое очень короткое время превращается из простого в тёмный.

Результаты эксперимента были опубликованы в авторитетном журнале Physical Review Letters в январе 2020 года, но не вызвали заметного отклика. Всё изменилось в апреле 2020 года, когда команда физиков-теоретиков из Калифорнийского университета в Ирвайне (США) представила статью с более детальным анализом результатов эксперимента.

Американцы заявили, что предположение о тёмном фотоне противоречит результатам других экспериментов и скорее всего является неверным. Вместо этого они предложили свою теорию. В её основе — предположение, что в процессе распада возникает некая частица, названная X-бозоном и являющаяся переносчиком того самого пятого способа взаимодействия. Это объяснение успешно прошло процесс научного рецензирования и в августе было опубликовано в том же журнале Physical Review Letters. По мнению учёных Калифорнийского университета, их теория объясняет и некоторые обнаруженные ранее аномальные эффекты.

Стоит ли этому верить?

Работы венгерских и американских учёных — не первые, в которых выдвигается гипотеза о существовании пятого фундаментального взаимодействия. Однако в подавляющем большинстве случаев эффект исчезает при улучшении экспериментальной установки, то есть он связан с несовершенством условий эксперимента. Это не мешает теоретикам придумывать всё новые и новые теории под не очень надёжные результаты. И их можно понять. Иногда из странной аномалии вырастает совершенно новое направление науки — а те, кто первые нашли объяснение, становятся его лидерами.

Свежими примерами громких «открытий», которые были впоследствии опровергнуты, являются нейтрино, якобы двигающиеся со скоростью выше скорости света (причиной в итоге оказалось плохое соединение кабелей), и намёк на существование необычной тяжёлой частицы, о чём сообщали в Европейском центре ядерных исследований CERN и который оказался лишённым оснований, когда было собрано больше данных. В обоих случаях теоретики успели выдвинуть десятки гипотез и выпустить сотни статей.

По этой причине большинство учёных скептически относятся к упомянутым выше работам и выводам. Ещё сильнее скепсис у тех, кто знаком с предыдущими работами той же группы экспериментаторов. Об экспериментах с бериллием-8 они сообщали ещё в 2008 и 2012 годах и оба раза «видели» некие ранее не известные частицы с разными массами. Авторы в ответ утверждают, что всегда видели одну и ту же частицу — просто правильно измерить массу не позволяли ранее имевшиеся в их распоряжении приборы.

Многим учёным также кажется подозрительным, что группа из Atomki практически не публикует статьи, в которых не было бы открытий. Не исключено, что члены группы неосознанно видят результат там, где его на самом деле нет. Для борьбы с этим эффектом в медицине при проверке эффективности лекарств применяется двойное слепое исследование, в ходе которого ни пациент, ни врач не знают, имеют они дело с лекарством или с пустышкой-плацебо. В хорошо поставленном физическом эксперименте человек, который проводит измерения или обрабатывает данные, тоже не должен знать, с чем конкретно он работает. В группе Atomki это условие, скорее всего, не выполняется.

Несмотря на скептическое отношение, возможность столь фундаментального открытия не может не будоражить умы учёных, и сразу несколько научных групп обещали в ближайшие месяцы проверить результаты венгерской команды. Если они будут подтверждены, работы венгерских специалистов могут стать самым большим научным открытием XXI века. Но всё же более вероятен вариант, что речь идёт об очередном казусе, появившемся в результате недостаточно качественно проведённого эксперимента.

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.

Природа тёмной энергии

Сущность тёмной энергии является предметом споров. Известно, что она очень равномерно распределена, имеет низкую плотность и не взаимодействует сколько-нибудь заметно с обычной материей посредством известных фундаментальных типов взаимодействия — за исключением гравитации. Поскольку гипотетическая плотность тёмной энергии невелика (порядка 10−29 г/см³), её вряд ли удастся обнаружить лабораторным экспериментом. Тёмная энергия может оказывать такое глубокое влияние на Вселенную (составляя 70 % всей энергии) только потому, что она однородно наполняет пустое (в иных отношениях) пространство.

Космологическая постоянная

, иногда называемая «лямбда-член» (от названия греческой буквы Λ {\displaystyle \Lambda } , используемой для её обозначения в уравнениях общей теории относительности)[7]. Введение космологической константы в стандартную космологическую модель, основанную на метрике Фридмана — Лемэтра — Робертсона — Уокера, привело к появлению современной модели космологии, известной как лямбда-CDM модель. Эта модель хорошо соответствует имеющимся космологическим наблюдениям.

Многие физические теории элементарных частиц предсказывают существование вакуумных флуктуаций, то есть наделяют вакуум именно таким видом энергии. Значение космологической константы оценивается в порядке 10−29 г/см³, или около 1.03 кэВ/см³ (около 10−123 в Планковских единицах)[8].

Космологическая константа имеет отрицательное давление, равное её энергетической плотности. Причины, по которым космологическая константа имеет отрицательное давление, вытекают из классической термодинамики. Количество энергии, заключённое в «коробке с вакуумом» объёма V {\displaystyle V} , равняется ρ V {\displaystyle \rho V} , где ρ {\displaystyle \rho } — энергетическая плотность космологической константы. Увеличение объёма «коробки» ( d V {\displaystyle dV} положительно) приводит к возрастанию её внутренней энергии, а это означает выполнение ею отрицательной работы. Так как работа, выполняемая изменением объёма d V {\displaystyle dV} , равняется p d V {\displaystyle pdV} , где p {\displaystyle p} — давление, то p {\displaystyle p} — отрицательно и, фактически, p = − ρ {\displaystyle p=-\rho } (коэффициент c 2 {\displaystyle c^{2}} , связывающий массу и энергию, приравнен 1)[2].

Согласно общей теории относительности, гравитация зависит не только от массы (плотности), но и от давления, причём давление имеет бо́льший коэффициент, чем плотность. Отрицательное давление должно порождать отталкивание, антигравитацию, и поэтому вызывает ускорение расширения Вселенной[9].

Важнейшая нерешённая проблема современной физики состоит в том, что большинство квантовых теорий поля, основываясь на энергии квантового вакуума, предсказывают громадное значение космологической константы — на многие порядки превосходящее допустимое по космологическим представлениям. Обычная формула квантовой теории поля для суммирования вакуумных нулевых колебаний поля (с обрезанием по волновому числу колебательных мод, соответствующему планковской длине), даёт огромную плотность энергии вакуума[10][11]. Это значение, следовательно, должно быть скомпенсировано неким действием, почти равным (но не точно равным) по модулю, но имеющим противоположный знак. Некоторые теории суперсимметрии (SATHISH) требуют, чтобы космологическая константа в точности равнялась нулю, что также не способствует разрешению проблемы. Такова сущность «проблемы космологической константы», труднейшей проблемы «тонкой настройки» в современной физике: не найдено ни одного способа вывести из физики элементарных частиц чрезвычайно малое значение космологической константы, определённое в космологии. Некоторые физики, включая Стивена Вайнберга, считают т. н. «антропный принцип» наилучшим объяснением наблюдаемого тонкого баланса энергии квантового вакуума.

Несмотря на эти проблемы, космологическая константа — это во многих отношениях самое экономное решение проблемы ускоряющейся Вселенной. Единственное числовое значение объясняет множество наблюдений. Поэтому нынешняя общепринятая космологическая модель (лямбда-CDM модель) включает в себя космологическую константу как существенный элемент.

Квинтэссенция

Альтернативный подход был предложен в 1987 году немецким физиком-теоретиком Кристофом Веттерихом[12][13]. Веттерих исходил из предположения, что тёмная энергия — это своего рода частицеподобные возбуждения некоего динамического скалярного поля, называемого «квинтэссенцией»[14]. Отличие от космологической константы в том, что плотность квинтэссенции может варьироваться в пространстве и времени. Чтобы квинтэссенция не могла «собираться» и формировать крупномасштабные структуры по примеру обычной материи (звёзды и т. п.), она должна быть очень лёгкой, то есть иметь большую комптоновскую длину волны.

Никаких свидетельств существования квинтэссенции пока не обнаружено, но исключить такое существование нельзя. Гипотеза квинтэссенции предсказывает чуть более медленное ускорение Вселенной, в сравнении с гипотезой космологической константы. Некоторые учёные полагают, что наилучшим свидетельством в пользу квинтэссенции явились бы нарушения принципа эквивалентности Эйнштейна и вариации фундаментальных констант в пространстве или времени. Существование скалярных полей предсказывается стандартной моделью и теорией струн, но при этом возникает проблема, аналогичная варианту с космологической константой: теория ренормализации предсказывает, что скалярные поля должны приобретать значительную массу.

Проблема космического совпадения ставит вопрос, почему ускорение Вселенной началось именно в определённый момент времени. Если бы ускорение во Вселенной началось раньше этого момента, звёзды и галактики просто не успели бы сформироваться, и у жизни не было бы никаких шансов на возникновение, по крайней мере, в известной нам форме. Сторонники «антропного принципа» считают этот факт наилучшим аргументом в пользу своих построений. Впрочем, многие модели квинтэссенции предусматривают так называемое «следящее поведение», которое решает эту проблему. В этих моделях поле квинтэссенции имеет плотность, которая подстраивается к плотности излучения (не достигая её) до того момента развития Большого Взрыва, когда складывается равновесие вещества и излучения. После этого момента квинтэссенция начинает вести себя как искомая «тёмная энергия» и в конце концов господствует во Вселенной. Такое развитие естественным образом устанавливает низкое значение уровня тёмной энергии.

Уравнение состояния (зависимость давления от плотности энергии) для квинтэссенции: p = w ⋅ ε , {\displaystyle p=w\cdot \varepsilon ,} где − 1 < w < − 1 / 3 {\displaystyle -1 (для вакуума w = − 1 {\displaystyle w=-1} ).

Были предложены и другие возможные виды тёмной энергии: фантомная энергия, для которой энергетическая плотность возрастает со временем (в уравнении состояния этого типа тёмной энергии w < − 1 {\displaystyle w<-1} ), и так называемая «кинетическая квинтэссенция», имеющая форму нестандартной кинетической энергии. Они имеют необычные свойства: например, фантомная энергия может привести к Большому Разрыву[15] Вселенной.

В 2014 году данные проекта BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) показали, что с высокой степенью точности значение тёмной энергии является константой[16].

Проявление неизвестных свойств гравитации

Имеется гипотеза, что тёмной энергии нет вообще, а ускоренное расширение Вселенной объясняется неизвестными свойствами сил гравитации, которые начинают проявляться на расстояниях порядка размера видимой части Вселенной[3].