Темные материя и энергия: кто они такие, и с чем их можно есть?
Вселенная, как мы уже давно с вами поняли, хранит в себе множество тайн и загадок; и каждый раз, когда мы находим ответ на одну из их, вселенная умилительно над нами хихикает, и подсовывает еще несколько, вытекающих из только что решенной «задачки».
Темные материя и энергия были придуманы учеными как одно из предположений насчет того, что вообще во вселенной происходит, - каждый из нас наверняка что-то слышал об этих понятиях. Но что они из себя представляют, и откуда же они появились? Об этом и будет наш сегодняшний увлекательный разговор!
Часть 1. Темная материя.
Астрофизики, тихо и мирно исследуя космос, измеряли, с какой скоростью вращаются звезды вокруг галактики на разном расстоянии от ее центра – и изучение галактик было бы весьма умиротворяющим и приятным занятием, если бы не парадокс, с которым столкнулись ученые, хотя, казалось бы, ждать беды было неоткуда. Проводя расчеты, астрофизики увидели, что они вообще не совпадают с математикой. Вещество на окраинах галактики двигалось гораздо быстрее, чем должно было. У этой проблемы могло быть только две причины: либо же уравнения дядюшек Ньютона и Эйнштейна работают не везде, и нам нужно было придумывать новую физику, либо же на окраинах галактики находится еще какое-то вещество, невидимое для нас – и этого вещества должно быть много, действительно много, чтобы все работало так, как оно работает.
То есть, у вселенной есть «скрытая масса», которой, как выяснили, много.
Существование этой скрытой массы было предположено еще из того факта, что не будь ее – сверхскопления галактик бы просто разлетелись. Массы видимого вещества недостаточно для того, чтобы удерживать все вместе, - поэтому, всяко должно быть еще какое-то вещество.
Эту скрытую массу и назвали темной материей.
Мы плавно подобрались к более подробному определению темной материи, на основании которого мы и рассмотрим ее сущность подробнее: «Темная материя – это гипотетическая составляющая вещества, которая может быть выявлена только по своим гравитационным эффектам, потому что она не поглощает, не отражает и не излучает свет, и которая по своему количеству значительно превышает обыкновенное вещество». Распишем по пунктам, друзья?
1) Действительно, темная материя была выявлена только по своим гравитационным эффектам, о которых мы с вами поговорили выше, и она действительно не поглощает, не отражает и не излучает электромагнитные волны (свет, радиосигналы, ультрафиолет, рентгеновские лучи) – все они проходят сквозь нее, никак не контактируя с ней (темная материя не взаимодействует ни с кем, кроме самой себя[1]); поэтому она для нас незаметна, и поэтому ее назвали темной (не видно же![2]).
2) При всем этом, скрытая масса вселенной распределена по самой вселенной очень и очень неравномерно: в среднем ее в пять-шесть раз больше, чем барионного вещества (барионное вещество – это видимое вещество, все звездочки, планеты, люди и булочки на витринах пекарен, – это все оно), но в некоторых участках ее в шестнадцать раз больше, а в других – только два. Например, у нас дома, в галактике Млечный путь, темной материи в два раза больше, чем видимого вещества. Она окружает нашу галактику огромной сферой, словно щит. И в противовес такому красивому и небольшому соотношению, ученые нашли галактику, на 99,99% состоящую из темной материи – в созвездии Волос Вероники![3]
3) Темная материя притягивает видимое вещество. Это мы уже выяснили – поэтому все сверхскопления не распались, а соединились в своего рода «сети». И это значит, что видимое вещество – лишь отражение распределения темной материи; крупномасштабная структура Вселенной состоит из темной материи, а видимая в нее как бы стекается.
Но что же такое, эта темная материя? Что она из себя представляет? Из чего же она, такая уникальная и загадочная, состоит?
Вспомните первые строки нашего разговора. Да, именно!
Мы не знаем, из чего состоит темная материя – мы догадываемся о ее существовании, но понятия не имеем о ее природе. Однако, чем больше мы изучаем, тем лучше мы знаем, чем она не является; на самом деле, это очень даже хорошо. В конце концов, как говорила моя преподавательница по математике, «отрицательный результат – это тоже результат», и у нас остается все меньше вариантов, чем же «вся такая загадочная» темная материя может являться.
Один из вариантов – это отдельные частицы, из которых состоит темная материя. Их назвали WIMP (сокращение от английского Weakly Interactive Massive Particles — слабовзаимодействующие массивные частицы. То есть, частицы эти должны быть медленными по меркам остальных частиц, и очень массивными). Поиски «вимп»-ов ведутся во многих экспериментах в течение уже 20-30 лет, однако, до сих пор они обнаружены не были[4].
Также, вполне может оказаться, что темная материя состоит не из одного вида частиц, а из нескольких. В конце концов, если барионное вещество состоит из 17 видов частичек (вспомните стандартную модель частиц, она самая!), то почему темная материя не может себе позволить состоять из такого же, но «темного» зоопарка? Кто знает, быть может, есть «темные» протоны и электроны, образующие «темные» атомы, быть может, есть и «темные» фотоны, образующие «темный» свет?
Загадку о происхождении и природе того, из чего состоит куда б о льшая часть вселенной, чем видимое вещество, только предстоит разгадать. Кстати говоря, из чего же состоит наша вселенная в целом?
Видимого вещества во вселенной только 4%. Остальные 96% — это темная материя, которой насчитали приблизительно 22%, а оставшиеся 74% — это темная энергия. Наконец-то мы и к ней подобрались!
Что же такое темная энергия, и чем она отличается от темной материи?[5]
Часть 2. Темная энергия.
Наблюдение за сверхновыми, а если быть точнее, обнаружение, что свет от них слишком слаб, привели нас к еще одной загадке, подброшенной вселенной. Вместе с этим, мы не знали, что заставляет вселенную расширяться, причем расширяться все быстрее и быстрее.
Это «что-то» и назвали темной энергией. И она снова темная потому, что она для нас невидима.
Темная энергия разлита, словно масло[6], по каждому кубическому метру пустоты, и приводит к появлению «новых кубиков пространства», то есть, приводит к расширению вселенной (вспомните мою заметку «что было до большого взрыва?»).
О темной энергии можно сказать еще меньше, чем о темной материи. Во-первых, она равномерно распределена по Вселенной, в отличие от обычного вещества и темной материи. В галактиках и скоплениях галактик ее столько же, сколько вне их. Во-вторых, она обладает несколькими весьма странными свойствами, понять которые можно, лишь анализируя уравнения теории относительности и интерпретируя их решения. Например, темная энергия испытывает антигравитацию: именно за счет ее присутствия темп расширения Вселенной растет, то есть, поэтому вселенная расширяется с ускорением. Темная энергия как бы расталкивает саму себя, ускоряя при этом и разбегание обычной материи, собранной в галактиках.
И мы опять же не знаем, из чего состоит темная энергия. Есть лишь только догадки и предположения.
Главный кандидат на ее — вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, что и соответствует отрицательному давлению, которым обладает темная энергия. Еще один кандидат — гипотетическое сверхслабое поле, получившее красивое название квинтэссенция.
Единственное, что вызывает надежды на выяснение природы темной энергии – это астрономические наблюдения. Продвижение в этом направлении, несомненно, принесет нам радикально новые знания, так так в любом случае темная энергия должна представлять собой совершенно необычную субстанцию, абсолютно непохожую на то, с чем имела дело физика до сих пор.
Заключение.
Итак, наш разговор подходит к концу. Какие же мы можем сделать выводы?
Во-первых, мы узнали о темной материи и темной энергии. В качестве закрепления того, что мы научились понимать между ними разницу, давайте повторим: темная материя – это вещество, имеющее массу и влияющее на пространство (искривляя его своей гравитацией, как вещество в принципе), а темная энергия – это тип энергии (логично, правда?) который заставляет вселенную расширяться; темная энергия вшита в само пространство и является его частью.
Во-вторых, наш мир на 96% состоит из того, о чем мы почти ничего-ничего не знаем. Для кого-то это покажется тревожной новостью, кто-то расстроится – в конце концов, мы проделали такой долгий и сложный путь построения физической теории свойств нашего мира, а он привел нас к констатации о том, что большая часть Вселенной от нас скрыта и предстает для нас таинственной незнакомкой.
Но физики, как и я, наоборот, испытываем воодушевление. Разгадывать загадки всегда чертовски интересно. К тому же, мы разгадали очень много загадок, и, несомненно, разгадаем и эту. Это наверняка принесет нам новые знания, новые понятия, и, возможно, новые и новые загадки, от разгадывания которых мы все так же будем получать удовольствие, и в конце концов, разгадаем и их. Но это будет совсем другой историей, другой историей прекрасного будущего, с которой мы познакомимся только через несколько лет или несколько десятилетий.
[1] Звание «главный интроверт вселенной» присуждается именно ей!
[2] Видишь темную материю? Нет? А она есть!
[3] https://www.keckobservatory.org/scientists_discover_massive_galaxy_made_of_99-99_percent_dark_matter/
[4] Но не время отчаиваться – бозон Хиггса искали 30 лет, и все-таки нашли!
[5] Вот ученые, плохо у них с фантазией – назвали все «темным», а нам учись различать между этой тьмой «темных»!
[6] Аннушка уже…ой! J