Темное вещество и темная энергия
Достаточно долго наблюдения за небесными телами Солнечной системы привязывали их движение к небесной механике - законам силы, инерции и противодействия Ньютона, законами площадей и эллипсов Кеплера. Но наступил момент, когда накопились данные о движении небесных тех за пределами Солнечной системы и даже нашей галактики, которые уже не вписывались в эти законы. О том, что существует темное вещество (или темная материя), догадались благодаря наличию «гравитационных линз» или «гравитационной фокусировки». Речь идет об отклонении света далеких звезд и туманностей по ходу его движения к Земле под действием невидимого вещества огромной массы. Эту материю и назвали темным веществом.
Впервые идеи идеи о сущетсвовании темной материи стали появляться около 100 лет назад. Профессор Фриц Цвикки из «Колтех» впервые попытался это доказать. Его выводы были основаны на подсчете массы далеких галактик и звезд. Масса видимого вещества не могла объяснить их вращение. Светящейся массы должно было быть в 160 раз больше, чтобы вызывать такое движение звезд в скоплениях. Он пришел к выводу, что есть невидимое вещество, которое притянуто друг к другу гравитацией. Его количество значительно. Он объявил о своем открытии, но его исследования проигнорировали. Несмотря на это его подсчеты были правильны. Некоторые ученые это понимали. Эти подсчеты опирались на признанные научные законы. Ньютон и Эйнштейн говорили:
- чем больше вещества в теле, тем сильнее на него действует гравитация;
- чем дальше тело от общего центра центра масс, тем медленнее вращение тела по орбите.
Перепроверку выводов Цвикки провела Вера Рубин из Института Карнеги. Она изучала вращение галактик, и пришла к выводу, что масса невидимого вещества в 10 раз больше массы видимого. Галактики вращаются. На видимое вещество действуют центробежные силы. Масса вещества внешней части галактики должна быть намного больше, чем мы видим. Иначе галактика распадется. На этот раз на исследования обратил внимание научный мир и признал их. Начались поиски элементарной частицы темного вещества.
Стал вопрос: это обычное вещество или какой-то принципиально новый вид материи. Остановились на втором варианте. Было несколько кандидатов на элементарную частицу темной материи. Первый - вещество черных дыр. Изучали «мачо» - черные дыры в разных участках галактик, тоже создающие гравитационные линзы. Но эту идею со временем отвергли, так как черные дыры втягивают в себя все видимое вещество, включая свет, а темное вещество присутствует повсюду, рядом с видимым веществом. Соседствует с ним вполне мирно. Вторым кандидатом были нейтрино. Нейтрино можно воссоздать в колайдерах. Они тоже проходят через видимой вещество насквозь. Но нейтрино не подошли, так как они имеют маленькую массу и быстро движутся. А у темной материи масса большая, а скорость маленькая. Третим кандидатом стали аксионы. Они тоже созданы во время Большого взрыва, как и темное вещество, но очень легкие, и тоже быстро движутся. Кроме того, аксионы могут становится протонами, а частицы темного вещества неизменны. Пока остановились на вимпах, слабо взаимодействующих медленных массивных частицах. Их и пытаются поймать в суданской лаборатории.
Лаборатория в Судане (Минессота, США) расположена в заброшенной железной шахте на глубине 740-800 м под землей, чтобы не действовало космическое излучение. Охота на темное вещество идет здесь уже более 10 лет, но только 2 последних года главным кандидатом на частицу темного вещества считают вимпы. Вимпы пытаются поймать при их прохождении при низких (криогенных) температурах через 16 пластинок из германия, каждая размером с хоккейную шайбу. Фиксацию взаимодействия надеются произвести с помощью датчиков с кремниевыми кристаллами. Пока безуспешно. Вероятность взаимодействия темного и видимого вещества составляет 1 : 1 000 000.
Любая материя, в том числе темная, искривляет движение световых лучей, если обладает достаточной для этого гравитацией. С помощью гравитационных линз создали 3D-карту Вселенной. Астрономы отследили тысячи источников света благодаря свету, проходящему через эти линзы. Был сделан вывод и о процентном соотношении состава Вселенной: 22% - темное вещество, 4% - обычное (видимое) вещество, и 74% - темная энергия.
Состав Вселенной по данным WMAP
Благодаря темной энергии происходит расширение Вселенной, при этом расширение Вселенной ускоряется. Но как это установили? Первый метод - измерение красного смещения, которое до сих пор используется для установления расстояния до объекта. Чем больше расстояние до галактики, тем больше скорость, с которой она от нас отдаляется, и тем больше красное смещение.
Еще один метод определения расстояния до далеких галактик и звезд - по яркости их свечения. Чем ближе стандартного типа источник света, тем ярче этот свет. Стандартная свеча - сверхновая звезда 1А. Ее яркость - единица яркости. Чем ближе от нас сверхновые 1А, тем ярче свечение. Для наблюдений используются широкоугольные камеры на телескопах наземного базирования. Измерения такие проводили многие исследователи независимо друг от друга, и все получили одинаковый результат.
Cвойства и значение темного вещества таковы:
1. Темное вещество не излучает и не отражает света, но обладает гравитацией, отклоняющей свет. Другими словами, мы не видим темной материи, но видим ее гравитационное действие на свет.
2. Гравитация темного вещества действует и на другое видимое вещество (не только на свет). Но химического взаимодействия темного и видимого вещества не происходит. Темное вещество проходит через видимое насквозь (в том числе через Землю и каждого из нас).
3. Темное вещество приняло участие в формировании галактик: оно притягивалось собственной гравитацией очень медленно. Но постепенно после Большого взрыва оно образовало скопления («семена»), гравитационные центры, вокруг которых и сформировались галактики.
4. Темное вещество было создано в момент Большого взрыва.
Темная энергия
Астрономические наблюдения последних десятилетий показали, что галактики отдаляются друг от друга, расстояние между ними увеличивается. При этом процесс расширения не замедляется, а, напротив, ускоряется. Это заставило ученых признать наличие силы, противодействующей гравитации. Ее назвали темной энергией.
Темная энергия отличается от темного вещества: она не собирается в скопления, а равномерно расширяется во все стороны, подчиняясь стремлению к минимуму концентрации энергии. Это энергия вакуума, она увеличивает Вселенную. Она тоже была создана в момент Большого взрыва. Темная материя сдерживала темную энергию своим притяжением, но 5 млрд лет назад, когда Вселенная достаточно остыла, темная энергия взяла верх над темным веществом и начала ускорение расширения.
Отдаление друг от друга источников света во Вселенной означает и отдаление источников тепла. Поэтому напрашивается сценарий про остывание Вселенной. Возможно, из-за расширения Вселенная умрет во льду. Когда-нибудь рост станет экспоненциальным, до момента ее разрыва. Галактики станут одинокими, а затем остынут.
Темную энергию фактически открыл Эйнштейн, но он сам же и отказался от своего открытия, объявив это своим заблуждением. Эйнштейн понял, что Вселенная не стабильна: она должна либо расширяться, либо сжиматься. Он рассчитал коэффициент расширения - космологическую постоянную. Суть этой физической постоянной простым языком такова: темная энергия сильнее гравитации. Ее величина постоянна. Но сам Эйнштейн не нашел математического применения комсмологической постоянной, потому и расценил ее как ошибочную. Космологическая постоянная - это энергия, удерживающая Вселенную в равновесии. От нее Эйнштейн и отказался. Но его промахи в 1920-х - это наши величайшие открытия. Математически темная энергия по-другому пока не описана. Но за открытие темной энергии в 2011 году трое ученых получили Нобелевскую премию.
У меня возникает альтернативная мысль: возможно темная энергия на не распирает Вселенную изнутри, а растягивает ее снаружи, действуя за границами видимой Вселенной? Тогда поиск элементарной частицы темной энергии, ее волн внутри Вселенной будет бесполезным.
Но все же открытие темной энергии и темной материи приблизили нас на шаг к единой теории Вселенной, «теории всего».
Темная материя и темная энергия не взаимодействует со светом и не поглощает его. И это уже немало. Возможно, понять темную энергию нам помогут инопланетяне. Если вдруг решат поделиться с нами знаниями. Эти же знания они могут использовать и для нашего уничтожения. Понимание темной энергии, возможно, позволит нам технически реализовать телепорты и машину времени.
Также рекомендую:
1. Вселенная
1.1. Большой взрыв. Рождение и развитие Вселенной
1.2. Энергия Вселенной
.