Темная материя и темная энергия
Объекты глубокого космоса > Темная материя и темная энергия
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.
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.
Разъяснение 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.
Углубляемся в тайну
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.
Расширяющаяся Вселенная и темная энергия
Ситуация с темной энергией еще более запутанная и само открытие в 1990-х годах стало непредсказуемым. Физики всегда думали, что сила притяжения работает на замедление и однажды может приостановить процесс вселенского расширения. За измерение скорости взялось сразу две команды и обе, к своему удивлению, выявили ускорение. Это словно вы подбрасываете яблоко в воздух и знаете, что оно обязано упасть вниз, а оно удаляется от вас все дальше.
Стало ясно, что на ускорение влияет некая сила. Более того, кажется, чем шире Вселенная, тем больше «власти» получает эта сила. Ученые решили обозначить ее темной энергией.
Если темную материю можно хоть как-то объяснить, то по поводу темной энергии нет вообще ничего. Некоторые правда полагают, что это пятая фундаментальная сила – квинтэссенция.
Однако, известные свойства темной энергии согласуются с космологической константой, созданной Альбертом Эйнштейном в общей теории относительности. Константа выступает отталкивающей силой, противодействующей гравитации и удерживающей пространство от разрушения. Позже Эйнштейн отказался от нее, потому что наблюдения выявили процесс расширения Вселенной (она рассчитывалась для статичной).
Но, если сейчас добавить темную энергию в качестве константы для ускорения расширения Вселенной, то может объяснить этот процесс. Но все это так и не дает понимания того, почему эта странная сила вообще существует.
Источник
Можно ли обнаружить темную материю на Земле или в Солнечной системе?
Совсем недавно, в 2014 году, астрофизики Лиза Рэндалл и Мэтью Рис из Гарвардского университета предположили, что самые большие гравитационные возмущения Облака Оорта могут быть вызваны невидимым тонким диском экзотической темной материи. Астрономы считают, что темная материя — таинственная форма материи, которая взаимодействует только через силу гравитации — составляет около 85 процентов всей материи во Вселенной. Удивительно, но вся видимая материя, то есть планеты, звезды, туманности и галактики составляют всего 15 процентов от общего количества. Увидеть темную материю нельзя, но она искривляет пространство-время, как и обычная материя, хотя таковой, конечно, не является. Более того, она даже не может состоять из тех же частиц, что образуют все привычное нам, в противном случае, мы могли бы ее увидеть. Исследователи отмечают, что на каждый килограмм обычной материи, состоящей из нейтронов, протонов и электронов, приходится пять килограмм темной материи, состоящей неизвестно из чего. Но если это таинственная субстанция существует во всей Вселенной, можно ли обнаружить ее здесь, на Земле?
Темная материя не участвует в электромагнитном взаимодействии, а значит, не подлежит прямому наблюдению.
Гости из Облака Оорта
В 1997 году комета Хейла-Боппа заворожила землян, проходя через Солнечную систему. Эта небесная странница оказалась родом из далекого Облака Оорта – области, откуда появляются все кометы и которой окружена внешняя часть нашей Солнечной системы. Свое название это месторождение комет получило в честь Яна Оорта, необычного ученого который объяснил в 1932 году абсурдное несоответствие между видимой материей нашей Галактики и скоростью ее звезд.
Оорт заявил, что Млечный Путь заполняет неизвестный вид материи, которая никогда прежде не обнаруживалась ни в какой форме, ни здесь, на Земле, ни где-либо еще потому что она не взаимодействует со светом и недоступна прямому наблюдению. Эту таинственную субстанцию астроном назвал темной материей. Согласно его работе, видимые эффекты темной материи проявляются лишь косвенным путем через гравитацию, которая искривляет пространство-время. Интересно, что все проведенные с 30-х годов многочисленные эксперименты пришли к такому же выводу.
Комету Хейла-Боппа можно было наблюдать невооруженным глазом на протяжении долгих 18 месяцев. Она считается самой наблюдаемой кометой ХХ века, а возможно и за всю историю изучения космоса.
Темная материя существует повсюду, вокруг галактик, вокруг нашего собственного Млечного Пути и по всей Вселенной.
Итак, темной материи во Вселенной в пять раз больше, чем обычной. Но так как она не поддается прямому наблюдению, может быть стоит искать ее не вглядываясь в далекие галактики, а прямо здесь, на Земле (или хотя бы в пределах нашей Солнечной системы)?
Поиски темной материи
По мнению физика-теоретика Стивен Адлера из Института перспективных исследований в Принстоне, если масса Земли и Луны при измерении вместе кажется больше, чем их массы по отдельности, эту разницу можно объяснить ореолом темной материи между ними.
К такому выводу Адлер пришел частично после после изучения исследований, в которых массу Луны измерили с помощью лунных орбитальных аппаратов, а массу Земли с помощью геодезических спутников LAGEOS, которые находятся на орбите уже много лет. Лазеры, выпущенные по спутникам, показывают радиус орбиты каждого спутника и время, необходимое каждому для завершения этой орбиты. Исходя из таких измерений, ученые могут рассчитать гравитационное притяжение спутников и, следовательно, величину массы, которая это притяжение оказывает.
На этой иллюстрации показана Земля, окруженная теоретическими нитями темной материи, называемыми «волосками».
Затем Адлер изучил исследования, которые измеряли расстояние от Земли до Луны с помощью лазеров, отражающихся от лунных зеркал, установленных миссиями «Аполлон». Если Земля оказывает необычайно сильное притяжение на Луну, которая находится примерно в 384 000 километрах, чем на спутники LAGEOS, расположенные примерно в 12 300 километрах, дополнительное притяжение может быть связано с гало темной материи между Луной и искусственными спутниками.
«Основываясь на имеющихся данных о том, что между Землей и Луной находится не более 24 триллионов метрических тонн темной материи. Такое гало темной материи может объяснить аномалии, наблюдаемые на орбитах «Пионера», «Галилея», «Кассини», «Розетты» и космических аппаратов ближнего полета», – отмечает Адлер.
Адлер также предполагает, что темная материя может оказать драматическое воздействие на четыре газовых гиганта в нашей солнечной системе – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Если эти массивные миры гравитационно захватили темную материю, то частицы темной материи могут буквально врезаться в них – это редкие события, но достаточные, чтобы нагреть газовые гиганты и объяснить, почему внутренности этих планет (и даже Земли) кажутся более горячими, чем могут объяснить известные механизмы.
Темная материя присутствует повсюду во Вселенной. Так может она есть и на Земле?
Возможный нагрев планет темной материей также может оказаться ключом к разгадке неизвестных свойств вещества – например, как часто оно сталкивается с обычной материей или собирается ли темная материя вокруг звезд и планет, а не равномерно распространяется по галактике. Как пишет Scientific American, если частицы темной материи являются их собственными античастицами, как предполагают некоторые исследователи, энергия, выделяемая при их аннигиляции, будет нагревать планеты гораздо больше, чем просто столкновения с атомами. Такой сценарий подразумевал бы, что темная материя не может сильно сгущаться в нашей Cолнечной системе, иначе Cолнечная система была бы намного горячее.
Однако астрофизик Анника Питер из Калифорнийского технологического института скептически относится к тому, что темная материя изменяет тепло планет, говоря, что для этого потребуется «нереальное количество темной материи». А астроном Эндрю Гулд из Университета штата Огайо сомневается в том, что в солнечной системе скапливается много темной материи – он утверждает, что гравитационные взаимодействия с планетами должны в основном выбрасывать ее, точно так же, как они очистили большую часть первоначальной нормальной материи солнечной системы. Тем не менее, по мере того, как солнечная система бороздит галактику, она может накапливать дополнительную темную материю.
Так или иначе на данный момент существование любой темной материи в Солнечной системе остается столь же загадочным, как и ее присутствие повсюду. А как вы думаете, смогут ли ученые в ближайшем будущем найти темную материю и что принесет человечеству это открытие? Ответ будем ждать здесь, а также в комментариях к этой статье.
Источник