Что такое темная энергия?
Ведущее объяснение темной энергии предполагает, что это тип накопленной энергии, присущей ткани пространства-времени.(Изображение: © Shutterstock)
Темная энергия — загадочное явление, которое действует против гравитации и отвечает за ускорение расширения Вселенной. Хотя темная энергия составляет три четверти массовой энергии космоса, ее естественная природа продолжает ускользать от физиков. Темная энергия не имеет реальной связи с темной материей, кроме того, что она разделяет слово «темный», что означает, что ученые на самом деле не знают, что это такое.
Кто открыл темную энергию?
Осознание того, что Вселенная расширяется, можно проследить до американского астронома Эдвина Хаббла, который в 1929 году заметил, что чем дальше галактика от Земли, тем быстрее она удаляется от нас, согласно веб-сайту космического телескопа Хаббла. Это не означает, что наша планета является центром вселенной, а скорее то, что все в космосе с постоянной скоростью удаляется от всего остального.
Спустя почти 60 лет после открытия Хаббла ученые сделали еще одно поразительное открытие. Исследователи долго пытались точно измерить космические расстояния, глядя на свет далеких звезд. В конце 1990-х годов, после изучения далеких сверхновых, две независимые команды обнаружили, что свет звездных взрывов тусклее, чем ожидалось. Это указывает на то, что вселенная не только расширяется, но и ускоряется в своем расширении.
Это открытие дало физикам повод почесать голову с тех пор, также заработав своим первооткрывателям Нобелевскую премию по физике в 2011 году.
Что делает темная энергия?
Хотя исследователи не совсем понимают темную энергию, они использовали свои знания об этом феномене для построения моделей Вселенной, которые объясняют все от Большого взрыва до современной крупномасштабной структуры галактик. Некоторые из этих моделей предсказывают, что темная энергия разорвет все существующее через миллиарды лет.
Ведущее объяснение темной энергии предполагает, что это тип накопленной энергии, присущей ткани пространства-времени. «Эта простая модель работает очень хорошо на практике, и она является прямым дополнением к космологической модели без необходимости изменять закон гравитации», — сказал ранее Баоцзю Ли, математический физик из Даремского университета в Великобритании, «Живой науке». Но идея связана с одной большой проблемой: физики предсказывают, что значение энергии вакуума должно быть на 120 порядков выше, чем то, что наблюдают космологи в измерениях, сказал Ли.
Альтернативная идея утверждает, что темная энергия является дополнительной фундаментальной силой, объединяющей четыре уже известные (гравитация, электромагнетизм и сильные и слабые ядерные силы). Но эта гипотеза не объясняет, почему люди не замечают эту дополнительную силу в нашей повседневной жизни. Таким образом, теоретики также создали креативные модели, предполагающие, что эта таинственная сила каким-то образом скрыта.
Измеренное значение темной энергии в настоящее время является предметом интенсивных дебатов между враждующими фракциями в физике. Некоторые исследователи измерили мощность темной энергии, используя космический микроволновый фон, слабое эхо Большого взрыва, и дали одну оценку.
Но другие астрономы, которые измеряют силу темной энергии, используя свет далеких космических объектов, создали другую ценность, и никто еще не смог объяснить это расхождение. Некоторые эксперты предполагают, что сила темной энергии меняется со временем, хотя сторонники этой идеи еще не убедили большинство своих коллег в этом объяснении.
Источник
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
Темная энергия — ее много, но что это?
Пролить свет на темную энергию было немного сложной задачей для сегодняшних астрономов. Какая темная энергия, на самом деле, выходит за рамки нашего современного научного понимания? Мы с некоторой уверенностью знаем, что существует темная энергия; мы знаем, как много вселенной состоит из нее; мы знаем, какое влияние она оказывает на нашу вселенную; но то, что ученые не могут сказать, что это за таинственная сила, которую мы не можем видеть или обнаружить.
Учитывая, что темная энергия присутствует во всей Вселенной, вы можете подумать, что ученым будет легче отслеживать ее. Фактически, она составляет почти три четверти нашей Вселенной. Астрономы также знают, что темная энергия — это сила, которая действует против силы тяжести.
В чем разница между темной энергией и темной материей?
Хотя имена подразумевают, что они похожи, темная энергия и темная материя не связаны напрямую. Темная энергия — это сила, ответственная за ускорение расширения Вселенной со все возрастающей скоростью, начиная с Большого Взрыва.
Темная материя, с другой стороны, состоит из невидимых частиц, которые связывают нашу вселенную — и даже наши собственные тела — вместе. Хотя астрономы не могут видеть темную материю через телескоп, они могут найти темную материю по гравитационным эффектам на ее окружение или по обнаружению рентгеновских лучей, которые она излучает.
Темная материя — это сила, которая держит Вселенную вместе и объясняет, насколько возможна сплоченность звезд, галактик и многого другого, темная энергия наоборот отталкивает их. То, что мы видим на самом деле, — все видимое вещество — составляет всего 4 % всей нашей вселенной.
Откуда мы знаем, что темная энергия есть?
До 1998 года, когда две конкурирующие команды исследователей сообщали свои выводы о том, что вселенная расширяется с ускорением, ученые были уверены, что расширение Вселенной должно замедляться. Это открытие заставило ученых придумать объяснение силы, которая могла бы работать против силы тяжести.
Темная энергия изначально была предсказана как космологическая константа всей нашей вселенной Альбертом Эйнштейном. Ученые, которые собирали данные за четыре года на почти четверти миллионов галактик, протянувшихся более чем на семь миллиардов световых лет, пришли к выводу, что темная энергия есть, как предсказывал Эйнштейн.
Можем ли мы когда-либо использовать темную энергию в качестве источника энергии?
Когда-либо? Может быть. Скоро? Возможно нет.
Прежде чем ученые могли бы попытаться оценить возможность использования темной энергии в качестве источника электричества, нам пришлось бы ее найти.
Однако, если бы мы смогли использовать силу темной энергии, мы использовали бы ее гораздо больше, чем просто для питания наших устройств. Вместо этого, освоив темную энергию, можно было бы вступить в новую эру космических полетов.
Теоретически возможен космический аппарат, работающий на темной энергии. Космический корабль с темной энергией может путешествовать быстрее скорости света. Корабль фактически остается на месте, в то время как пространство-время вокруг него было бы свернуто. Любители фантастики признают это как базовую концепцию «варп-двигателя». Однако, это применение мы, вероятно, не увидим в нашей жизни. И темная энергия не будет задействована в производстве электричества, питании автомобилей или строительстве зданий в ближайшее время. Почему? Все просто, мы элементарно не знаем, что она из себя представляет. Есть только теории.
Версии
Теория гравитации Эйнштейна, версия, содержащая космологическую константу, говорит: «пустое пространство» может обладать собственной энергией. Поскольку эта энергия является свойством самого пространства, она не будет разбавляться по мере расширения пространства. По мере появления большего количества космического пространства появляется больше этой энергии. В результате эта форма энергии приведет к тому, что Вселенная будет расширяться все быстрее и быстрее. К сожалению, никто не понимает, почему космологическая константа должна быть даже там, и тем более почему она имела бы точно правильное значение, чтобы вызвать наблюдаемое ускорение Вселенной.
Другое объяснение того, как пространство приобретает энергию, исходит из квантовой теории материи. В этой теории «пустое пространство» на самом деле полно временных («виртуальных») частиц, которые постоянно формируются и затем исчезают. Но когда физики пытались вычислить, сколько энергии бы дало пустое пространство, ответ получился неправильным — неимоверно много. Число получилось в 120 порядка. Это 1 с 120 нулями после нее.
Другим объяснением темной энергии является то, что это новый вид динамической энергии жидкости или поля, что заполняет все пространство, но действие которой на расширение Вселенной противоположно действию материи и нормальной энергии. Некоторые теоретики назвали эту энергию с пятой стихией греческих философов. Но, если это и является ответом, мы до сих пор не знаем, что такое темная энергия, с чем она взаимодействует или почему она существует.
Последняя возможность заключается в том, что теория гравитации Эйнштейна неверна. Это не только повлияет на расширение Вселенной, но также повлияет на то, как ведет себя нормальная материя в галактиках и кластерах галактик. Этот факт обеспечил бы возможность решить, является ли решение проблемы темной энергии новой теорией гравитации или нет: мы бы могли наблюдать, как галактики объединяются в кластеры. Но если окажется, что нужна новая теория гравитации, какая она была бы? Как она может правильно описать движение тел в Солнечной системе, как известная теория Эйнштейна и все же дает нам различное предсказание для Вселенной, которое нам нужно? Есть теории, но ни одна из них не является убедительной. Итак, тайна продолжается.
Источник