Астрономы столетиями искали недостающую материю по Вселенной. Но обычно находили лишь не открытые планеты, искажающие расчетную траекторию уже известных небесных тел. Неудивительно, что в 30-е годы XX века наблюдаемые несоответствия движения галактик массе видимых звезд ученые пытались объяснить плохо заметными объектами: коричневыми карликами, черными дырами и т. п. Однако к 90-м годам накопилось достаточно знаний об астрономических объектах и элементарных частицах Вселенной. И эти знания заставили астрономов отказаться от относительно простых способов. Они уже не объясняли, почему скорости вращения рукавов спиральных галактик заметно отличаются от предсказанных. При таких скоростях звезды должны были просто разлететься в пространстве, сорвавшись со спирали, как разогнавшаяся машина со скользкого поворота. Теоретики предложили несколько решений. Например, можно было попробовать уточнить формулу Всемирного закона тяготения (теория MOND). Точнее, предположить, что на больших расстояниях притяжение падает пропорционально не квадрату расстояния между объектами, а медленнее. Правда, как именно, однозначно вычислить не удалось.
Намного лучше удовлетворяло наблюдаемым фактам введение не наблюдаемой материи.
Признание второй точки зрения приводило к потрясающим выводам. Получается, каждая галактика сидит внутри огромного облака вещества, размер которого на порядок превышает видимый размер галактики. Это вещество назвали темной материей (далее ТМ). Самое ее необычное свойство — взаимодействие с видимой материей только через гравитационное притяжение (и, возможно, частично — через слабое взаимодействие), и оно никак не проявляет себя через электромагнитные силы. А значит, не реагирует с привычными нам элементарными частицами из Стандартной модели (подробнее о ней в статье «В полушаге от бозона Хиггса», журнал «Детали мира» № 14, с. 76).
Несмотря на непривычные характеристики, ТМ пригодилась и в теории звездообразования — оказалось, что без учета ее массы галактики и звездные системы не успевали бы собираться под действием гравитационных сил, а разлетались бы отдельными частицами по всей Вселенной.
Признание второй точки зрения приводило к потрясающим выводам. Получается, каждая галактика сидит внутри огромного облака вещества, размер которого на порядок превышает видимый размер галактики. Это вещество назвали темной материей (далее ТМ). Самое ее необычное свойство — взаимодействие с видимой материей только через гравитационное притяжение (и, возможно, частично — через слабое взаимодействие), и оно никак не проявляет себя через электромагнитные силы. А значит, не реагирует с привычными нам элементарными частицами из Стандартной модели (подробнее о ней в статье «В полушаге от бозона Хиггса», журнал «Детали мира» № 14, с. 76).
Несмотря на непривычные характеристики, ТМ пригодилась и в теории звездообразования — оказалось, что без учета ее массы галактики и звездные системы не успевали бы собираться под действием гравитационных сил, а разлетались бы отдельными частицами по всей Вселенной.
Введение темной энергии.
В 90-х годах... Да-да, открытие и темной энергии, и ТМ произошло в последнем десятилетии XX века. Это можно объяснить хорошо исчерпывающим накоплением информации о Вселенной на том уровне знаний и развитием компьютерной техники, которая позволила обнаружить расхождения в таких процессах, которые ранее просто не получалось точно обсчитать. Итак, в 1998 году научные группы Брайана Шмидта и Сола Перлмуттера независимо друг от друга открыли ускоренное расширение Вселенной. Так рухнула царящая на тот момент концепция Вселенной, которая расширяется с замедлением: считалось, что воздействие Большого взрыва тормозилось гравитационным притяжением всех тел Вселенной. Шли даже подсчеты, хватит ли плотности Вселенной для того, чтобы повернуть процесс расширения вспять или нет, закончит ли она свои дни в Большом хлопке или будет расширяться вечно. Точные подсчеты красного смещения для далеких Сверхновых показали, что на данный момент Вселенная расширяется БЫСТРЕЕ, а не медленнее, чем раньше. Открытие привело к последнему крупному пересмотру Стандартной космологической модели.
Ускоренное разбегание пространства удалось объяснить введением энергии, которая должна иметь отрицательное давление и заполнять все пространство Вселенной. В обычной жизни отрицательное давление встречается достаточно редко. Тем не менее оно нам знакомо: с его помощью растянутая резинка стремится сжаться. Но если такое свойство
имеет среда, то помещенные в нее две частицы будут разбегаться друг от друга. Так что темная энергия заставляет Вселенную расширяться все убыстряющимися темпами.
В 90-х годах... Да-да, открытие и темной энергии, и ТМ произошло в последнем десятилетии XX века. Это можно объяснить хорошо исчерпывающим накоплением информации о Вселенной на том уровне знаний и развитием компьютерной техники, которая позволила обнаружить расхождения в таких процессах, которые ранее просто не получалось точно обсчитать. Итак, в 1998 году научные группы Брайана Шмидта и Сола Перлмуттера независимо друг от друга открыли ускоренное расширение Вселенной. Так рухнула царящая на тот момент концепция Вселенной, которая расширяется с замедлением: считалось, что воздействие Большого взрыва тормозилось гравитационным притяжением всех тел Вселенной. Шли даже подсчеты, хватит ли плотности Вселенной для того, чтобы повернуть процесс расширения вспять или нет, закончит ли она свои дни в Большом хлопке или будет расширяться вечно. Точные подсчеты красного смещения для далеких Сверхновых показали, что на данный момент Вселенная расширяется БЫСТРЕЕ, а не медленнее, чем раньше. Открытие привело к последнему крупному пересмотру Стандартной космологической модели.
Ускоренное разбегание пространства удалось объяснить введением энергии, которая должна иметь отрицательное давление и заполнять все пространство Вселенной. В обычной жизни отрицательное давление встречается достаточно редко. Тем не менее оно нам знакомо: с его помощью растянутая резинка стремится сжаться. Но если такое свойство
имеет среда, то помещенные в нее две частицы будут разбегаться друг от друга. Так что темная энергия заставляет Вселенную расширяться все убыстряющимися темпами.
Картина мира
Существование ТМ и темной энергии ученые уже не подвергают сомнению, хотя по-прежнему обсуждают природу обеих. По современным данным, 74% массы Вселенной составляет темная энергия, еще 22% приходится на ТМ и лишь 4% на знакомые нам астрономические объекты и частицы, известные по Стандартной модели. Видимо, 2% ТМ составляют релятивистские нейтрино. А основная часть — это, вероятно, медленные, нерелятивистские массивные частицы (английское сокращение — WIMP). В различных теориях варьируется состав и количество типов частиц, но все они должны быть лишены заряда и спина, иначе участвовали бы в электромагнитных взаимодействиях с известными элементарными частицами и были бы уже обнаружены. Кроме малой вероятности реакции с известными элементарными частицами WIMP, видимо, имеют еще и сравнительно высокую массу — 100, может быть, даже 1000 ГэВ, что снижает возможность синтезировать их. Напомним, что только в этом году удалось обнаружить частицу, которая, скорее всего, подходит под описание бозона Хиггса. Его масса оказалась около 125 ГэВ, а свойства были предсказаны еще в 1964 году. Представьте, насколько сложнее искать частицу, которая может оказаться на порядок тяжелее и характеристики которой неясны!
С темной энергией вопрос еще более сложный. Можно приписать ее разным факторам, но всегда остается вопрос, почему она имеет именно такое значение. Основных предположений о природе темной энергии два. Во-первых, это может быть энергия вакуума — он как раз обладает отрицательным давлением и пронизывает все уголки нашей Вселенной. Второе предположение, что это квинтэссенция, отголосок инфлантонного поля, заставившего расширяться Вселенную с ускорением на стадии инфляции. Принципиальная разница между этими теориями в том, что во втором случае плотность энергии, а значит, и отрицательное давление, и, следовательно, скорость разбегания звезд Вселенной должны нарастать.
Получается, что, несмотря на схожее название, тесная материя и темная энергия имеют различную природу. Но кое-что общее у них все-таки нашлось. Введение темной материи и темной энергии позволило не только объяснить вышеуказанные наблюдаемые явления, но и понять, почему наше пространство является евклидовым (плоским).
Существование ТМ и темной энергии ученые уже не подвергают сомнению, хотя по-прежнему обсуждают природу обеих. По современным данным, 74% массы Вселенной составляет темная энергия, еще 22% приходится на ТМ и лишь 4% на знакомые нам астрономические объекты и частицы, известные по Стандартной модели. Видимо, 2% ТМ составляют релятивистские нейтрино. А основная часть — это, вероятно, медленные, нерелятивистские массивные частицы (английское сокращение — WIMP). В различных теориях варьируется состав и количество типов частиц, но все они должны быть лишены заряда и спина, иначе участвовали бы в электромагнитных взаимодействиях с известными элементарными частицами и были бы уже обнаружены. Кроме малой вероятности реакции с известными элементарными частицами WIMP, видимо, имеют еще и сравнительно высокую массу — 100, может быть, даже 1000 ГэВ, что снижает возможность синтезировать их. Напомним, что только в этом году удалось обнаружить частицу, которая, скорее всего, подходит под описание бозона Хиггса. Его масса оказалась около 125 ГэВ, а свойства были предсказаны еще в 1964 году. Представьте, насколько сложнее искать частицу, которая может оказаться на порядок тяжелее и характеристики которой неясны!
С темной энергией вопрос еще более сложный. Можно приписать ее разным факторам, но всегда остается вопрос, почему она имеет именно такое значение. Основных предположений о природе темной энергии два. Во-первых, это может быть энергия вакуума — он как раз обладает отрицательным давлением и пронизывает все уголки нашей Вселенной. Второе предположение, что это квинтэссенция, отголосок инфлантонного поля, заставившего расширяться Вселенную с ускорением на стадии инфляции. Принципиальная разница между этими теориями в том, что во втором случае плотность энергии, а значит, и отрицательное давление, и, следовательно, скорость разбегания звезд Вселенной должны нарастать.
Получается, что, несмотря на схожее название, тесная материя и темная энергия имеют различную природу. Но кое-что общее у них все-таки нашлось. Введение темной материи и темной энергии позволило не только объяснить вышеуказанные наблюдаемые явления, но и понять, почему наше пространство является евклидовым (плоским).
Источник: Журнал "Детали Мира" 2012 год. 19
