Темная материя и темная энергия. Почему темные?

Темная материя и темная энергия 3

Темная материя и темная энергия.

Астрофизические исследования космоса привели к новым и непонятным для нас открытиям.

Так, согласно современным космологическим теориям, наша Вселенная состоит из:

- барионной материи (обычная материя, которая образует все наблюдаемые объекты) - примерно 5%;

- темной материи (регистрируемой благодаря гравитации) - примерно 25%;

- темной энергии (обеспечивающей свойства антигравитации, согласно закона Хаббла) - примерно 70%.

Термины темная энергия и темная материя не вполне удачны и представляют собой дословный, но не смысловой перевод с английского.

В физическом же смысле данные термины подразумевают, только то, что эти неизвестные вещества не взаимодействуют с фотонами, и их с таким же успехом можно было бы назвать невидимой или прозрачной материей и энергией.

Многие современные ученные убеждены, что исследования направленные на изучение темной энергии и материи, вероятно, помогут получить ответ на глобальный вопрос: что же ожидает нашу Вселенную в будущем?

Темная материя.

Темная материя в астрономии и космологии, а также в теоретической физике - форма материи, не участвующая в электромагнитном взаимодействии и поэтому недоступная прямому наблюдению. Составляет порядка четверти массы-энергии Вселенной и проявляется только в гравитационном взаимодействии.

Понятие темной материи введено для теоретического объяснения проблемы скрытой массы в эффектах аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик и гравитационного линзирования (в них задействовано вещество, масса которого намного превышает массу обычной видимой материи); среди прочих предложенных оно наиболее удовлетворительно.

По представлению ученых, темная материя представляет собой субстанцию, состоящую, скорее всего, из новых, еще неизвестных в земных условиях частиц и обладающую свойствами присущими самому обыкновенному веществу. Например, она способна также как обычные вещества собираться в сгустки и участвовать в гравитационных взаимодействиях. Вот только размеры этих так называемых сгустков могут превышать целую галактику или даже скопление галактик.

Состав и природа тёмной материи на настоящий момент неизвестны. В рамках общепринятой космологической модели наиболее вероятной считается модель холодной тёмной материи. Наиболее вероятные кандидаты на роль частиц тёмной материи - вимпы. Несмотря на активные поиски, экспериментально они пока не обнаружены.

Открытие присутствия темной материи.

Согласно закона притяжения, все, что имеет массу, имеет гравитационное притяжение, и чем больше массы что-то имеет, тем сильнее становится эта сила.

Но астрономы постоянно наблюдают, что крупномасштабные объекты, такие как галактики и скопления, ведут себя так, как будто они имеют гораздо большую массу, чем то, что видно. Швейцарский астрофизик Фриц Цвикки был первым, кто предложил идею темной материи в 1933 году.

Цвикки изучал скопление галактик и обнаружил несоответствие: похоже, что их массы не хватает, чтобы объяснить, как быстро движутся эти галактики. Открытие Цвики было только первым примером явно пропавшей массы.

В конце 1970-х астрономы Кент Форд и Вера Рубин наблюдали за нашей соседней галактикой, Андромедой. Ученые ожидали увидеть объекты на окраинах галактики, вращающиеся медленнее, чем те, что ближе к центру, но это было не так: вместо этого относительные скорости имели тенденцию выравниваться, а объекты на окраинах вращались гораздо быстрее, чем должна была позволить видимая масса галактики.

Еще одним убедительным доказательством наличия темной материи является гравитационное линзирование. Поскольку световые лучи искажаются гравитационными полями, огромные массы могут изгибать свет, проходящий мимо более удаленных объектов, и делать эти объекты более крупными или яркими, как космическое увеличительное стекло. В других случаях он может дублировать изображение объекта или даже «воспроизводить» такие события, как сверхновые. Опять же, это линзирование часто происходит сильнее, чем это должно быть возможно из видимой массы объекта в середине. Поэтому мы знаем, что темная материя в этих космических объектах есть.

Ученые считают, что темная материя, как и обычные вещи, была создана во время Большого взрыва - или, как предполагает одна из теорий, еще до него, в период космологической инфляции.

В любом случае структура, которую мы наблюдаем сегодня в космосе, без темной материи была бы совсем другой. В первые дни существования Вселенной все было относительно гладко. Мы можем видеть это сегодня на фоне космического микроволнового излучения, которое является излучением, которое было создано приблизительно через 400 000 лет после явления называемого Большим взрывом. Независимо от того, в каком направлении мы смотрим, это излучение выглядит одинаково. Но в наше время вселенная далеко не гладкая - она довольно комковатая. Эти комки - то, что мы видим как галактики, скопления, суперкластеры и другие гигантские структуры, и между ними всегда есть относительно пустое пространство. Например, прямо по соседству с нашей галактикой «Млечный Путь» находится «локальная пустота», область непостижимого ничто, простирающаяся на сотни миллионов световых лет.

Так как же эволюционировала Вселенная от супергладких до комковатых скоплений? Это, по мнению ученых, влияние темной материи.
Даже в спокойные ранние дни существования Вселенной в некоторых областях было чуть больше темной материи, чем в других. Эта дополнительная масса означала большую гравитацию, поэтому эти более плотные области притягивали регулярную материю, которая, в свою очередь, притягивала все больше и больше. В конечном счете жара и давление заставили эти очаги материи воспламениться как звезды, что дало толчок образованию планетных систем, галактик и кластеров, которые мы видим сегодня. Тот факт, что вселенная структурирована так, как она есть, является еще одним свидетельством присутствия в космосе темной материи. Так что мы знаем, что она там. Но что именно это такое? И как ученые ее ищут?

На данный момент ученые всего мира пытаются обнаружить или получить искусственно в земных условиях частицы темной материи, посредством специально разработанного сверхтехнологичного оборудования и множества различных научно-исследовательских методов, но пока все труды не увенчиваются успехом.

Открытие этих новых частиц темной материи станет важнейшим научным достижением.

Темная энергия.

Темная энергия в космологии - это теоретический вид энергии, введённый в математическую модель Вселенной для объяснения наблюдаемого её расширения с ускорением.

Темная энергия представляет собой еще более необычную и загадочную субстанцию, чем та же темная материя.

Темная энергия, как представляется сегодня, не обладает способностью собираться в сгустки, в результате чего она равномерно распределена абсолютно по всей Вселенной. Но самым необычным ее свойством на данный момент является антигравитация.

Присутствие темной энергии.

Благодаря современным астрономическим методам появилась возможность определить темп расширения Вселенной в настоящее время и смоделировать процесс его изменения ранее во времени. В результате этого получена информация о том, что в данный момент, так же как и в недалеком прошлом, наша Вселенная расширяется, при этом темп этого процесса постоянно увеличивается. Именно поэтому и появилась гипотеза о наличие антигравитации присущей неизвестной темной энергии, так как обычное гравитационное притяжение оказывало бы замедляющее воздействие на процесс «разбегания галактик», сдерживая скорость расширения Вселенной.

Что такое темная энергия!

Расширение вселенной, которое привело к выводу о наличие неизвестной энергии влияющей на космические объекты, привело и к появлению новой тайны, которую пытаются разгадать современные ученые.

Одним из предполагаемых кандидатов на роль темной энергии рассматривали «вакуум», плотность энергии которого остается неизменной в процессе расширения Вселенной и подтверждает тем самым отрицательное давление вакуума.

Другим предполагаемым кандидатом, по мнению ученых, может быть «квинтэссенция» - неизвестное сверхслабое поле, якобы проходящее через всю Вселенную.

Имеются и другие гипотезы, но не одна из них на данный момент так и не поспособствовала получению точного ответа на вопрос: что же такое темная энергия? Но уже сейчас понятно, что темная энергия представляет собой что-то совершенно новое и сверхъестественное, оставаясь главной загадкой фундаментальной физики.

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.

Темная энергия и будущее Вселенной.

По имеющимся оценкам, ускоряющееся расширение Вселенной началось приблизительно 5 миллиардов лет назад.

Предполагается, что до этого расширение замедлялось благодаря гравитационному действию тёмной материи и барионной материи. Плотность барионной материи в расширяющейся Вселенной уменьшается быстрее, чем плотность тёмной энергии. В конце концов, тёмная энергия начинает преобладать. Например, когда объём Вселенной удваивается, плотность барионной материи уменьшается вдвое, а плотность тёмной энергии остается почти неизменной (или точно неизменной - в варианте с космологической константой).

Если ускоряющееся расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно, то в результате галактики за пределами нашего Сверхскопления галактик рано или поздно выйдут за горизонт событий и станут для нас невидимыми, поскольку их относительная скорость превысит скорость света. Это не является нарушением специальной теории относительности. На самом деле невозможно даже определить «относительную скорость» в искривлённом пространстве-времени. Относительная скорость имеет смысл и может быть определена только в плоском пространстве-времени, или на достаточно малом (стремящемся к нулю) участке искривлённого пространства-времени. Любая форма коммуникации далее пределов горизонта событий становится невозможной, и всякий контакт между объектами теряется.

Земля, Солнечная система, наша Галактика, и наше Сверхскопление будут видны друг другу и в принципе достижимы путём космических полётов, в то время как вся остальная Вселенная исчезнет вдали. Со временем наше Сверхскопление придёт в состояние тепловой смерти, то есть осуществится сценарий, предполагавшийся для предыдущей, плоской модели Вселенной с преобладанием материи.

Существуют и более экзотические гипотезы о будущем Вселенной. Одна из них предполагает, что фантомная энергия приведёт к так называемому «расходящемуся» расширению. Это подразумевает, что расширяющая сила действия тёмной энергии продолжит неограниченно увеличиваться, пока не превзойдёт все остальные силы во Вселенной. По этому сценарию, тёмная энергия со временем разорвёт все гравитационно связанные структуры Вселенной, затем превзойдёт силы электростатических и внутриядерных взаимодействий, разорвёт атомы, ядра и нуклоны и уничтожит Вселенную в Большом Разрыве.

С другой стороны, тёмная энергия может со временем рассеяться или даже сменить отталкивающее действие на притягивающее. В этом случае гравитация возобладает и приведёт Вселенную к «Большому Сжатию». Некоторые сценарии предполагают «циклическую модель» Вселенной. Хотя эти гипотезы пока не подтверждаются наблюдениями, они и не отвергаются полностью. Решающую роль в установлении конечной судьбы Вселенной (развивающейся по теории Большого Взрыва) должны сыграть точные измерения темпа ускорения.

Ускоренное расширение Вселенной было открыто в 1998 году при наблюдениях за сверхновыми типа Ia. За это открытие Сол Перлмуттер, Брайан П. Шмидт и Адам Рисс получили премию Шао по астрономии за 2006 год и Нобелевскую премию по физике за 2011 год.