Теории о тёмной энергии и тёмной материи
Вселенная, которую мы наблюдаем — звёзды, планеты, межзвёздный газ и галактики — представляет собой лишь малую часть космоса. С конца XX века космологи всё больше убеждаются в том, что самая большая составляющая Вселенной на самом деле невидима для нас. Два термина, часто встречающиеся в этой дискуссии, — это тёмная материя и тёмная энергия. Оба являются «тёмными», потому что они не излучают, не поглощают и не отражают свет таким образом, чтобы это было легко обнаружить; однако их предполагаемые роли и свойства очень различны. В этой статье рассматриваются основные теории о тёмной материи и тёмной энергии, подтверждающие их наблюдательные данные и проблемы, с которыми до сих пор сталкивается современная наука.
Зачем нам нужно понятие «тьма»?
В космологии теории должны соответствовать данным наблюдений. Когда астрономы измеряют скорости вращения галактик, то, как они искривляют свет (гравитационное линзирование), и картины излучения, оставшиеся после Большого взрыва (космическое микроволновое фоновое излучение/КМФИ), результаты показывают, что существует «нечто», дополнительно влияющее на гравитацию и эволюцию Вселенной. Но это «нечто», по-видимому, не является светящейся материей, такой как звезды.
С другой стороны, в очень больших космических масштабах наблюдения сверхновых типа Ia в конце 1990-х годов выявили удивительный факт: расширение Вселенной не замедляется, а, наоборот, ускоряется. Для объяснения этого ускорения требовалась составляющая с отрицательным давлением, которая заставляла бы пространство-время расширяться все быстрее и быстрее. Эта составляющая впоследствии получила название темной энергии.
Тёмная материя: ключевые теории и доказательства
1. Кривая вращения галактики
Одно из классических доказательств существования темной материи получено из измерений кривых вращения спиральных галактик. Согласно ньютоновской гравитации, скорость звезд, вращающихся вокруг центра галактики, должна уменьшаться с увеличением расстояния от центра. Однако наблюдается обратное: скорость, как правило, остается высокой и «равномерной» на значительном расстоянии от центра галактики. Это говорит о наличии дополнительной массы, распределенной по большой площади и образующей гало из темной материи, окружающее галактику.
2. Гравитационная линза
Согласно общей теории относительности, масса искривляет пространство-время, поэтому свет, проходящий вблизи большой массы, искривляется. Во многих космических системах (скоплениях галактик, отдельных галактиках) эффекты гравитационного линзирования указывают на то, что масса галактик превышает массу светящегося вещества. Известный пример — скопление галактик «Пуля», где распределение массы (отслеживаемое с помощью гравитационного линзирования) отделено от светящегося горячего газа (наблюдаемого в рентгеновском диапазоне). Это явление часто рассматривается как убедительное подтверждение того, что темная материя является реальным компонентом, а не просто ошибочным представлением о гравитации.
3. Космическое фоновое излучение (КФИ) и крупномасштабная структура
Реликтовое излучение сохраняет «следы» условий ранней Вселенной. Анализ крошечных флуктуационных паттернов в реликтовом излучении позволяет оценить состав космоса. Результаты согласуются с моделями, предполагающими, что Вселенная состоит примерно из ~5% обычной материи, ~27% темной материи и ~68% темной энергии (цифры могут немного варьироваться в зависимости от набора данных). Темная материя также помогает объяснить, как космические структуры — от галактик до гигантских нитей — могут формироваться так быстро, как это наблюдается.
Кандидаты в темную материю: от новых частиц до первичных черных дыр
Наиболее популярная теория темной материи предполагает, что это форма материи в виде частиц, которые мы еще не обнаружили в физике элементарных частиц.
1. WIMP (слабо взаимодействующие массивные частицы)
Ранее WIMP-частицы считались ведущими кандидатами, поскольку теоретически они могли бы появляться в расширенных моделях физики элементарных частиц и естественным образом создавать «правильную» космическую плотность (часто называемую «чудом WIMP»). Однако различные эксперименты по прямому обнаружению (например, с использованием подземных детекторов) до сих пор не смогли обнаружить убедительный сигнал.
2. Аксион
Аксион — это гипотетическая частица, первоначально предложенная для решения проблемы в теории сильных взаимодействий (КХД). Аксионы могут быть очень лёгкими, но при этом очень многочисленными, внося таким образом большой вклад в общую массу и выступая в качестве «холодной» тёмной материи.
3. Стерильные нейтрино
В отличие от обычных, слабо взаимодействующих нейтрино, стерильные нейтрино обнаружить ещё сложнее. При наличии они могут действовать как «тёплая» тёмная материя, влияя на формирование структур в определённом масштабе.
4. МАШО и компактные объекты
В качестве кандидатов рассматривались такие объекты, как планеты-изгои, тусклые звезды или другие компактные объекты (MACHO), но исследования с использованием микролинзирования показывают, что их недостаточно для объяснения существования темной материи. Существует также идея первичных черных дыр (образовавшихся в самой ранней Вселенной), но ограничения наблюдений затрудняют их использование в качестве единственного объяснения всей темной материи.
Альтернатива: модификация гравитации (MOND и друзья)
Вместо того чтобы добавлять «невидимую материю», некоторые ученые предположили, что наше понимание гравитации в галактическом масштабе ошибочно. Такие теории, как MOND (модифицированная ньютоновская динамика), изменяют законы Ньютона для очень малых ускорений, позволяя объяснить кривые вращения без темной материи.
Однако главная проблема для теорий модифицированной гравитации заключается в объяснении всех имеющихся данных одновременно — особенно таких явлений, как скопление галактик Bullet Cluster и согласованность данных реликтового излучения. Были разработаны релятивистские модели MOND (например, TeVeS), но до сих пор модели темной материи были более «полными» в плане соответствия разнообразным данным.
Тёмная энергия: что это такое и почему считается, что она существует?
Для объяснения ускоренного расширения Вселенной была предложена теория темной энергии. В рамках общей теории относительности это ускорение может быть вызвано энергетической компонентой с отрицательным давлением. Проще говоря, чем больше темной энергии, тем быстрее расширяется пространство в космическом масштабе.
К основным доказательствам существования тёмной энергии относятся:
– Сверхновые типа Ia служат «стандартными свечами» для измерения космических расстояний. Далекие сверхновые кажутся тусклее, чем ожидалось, если темпы расширения замедляются.
– Реликтовое излучение и барионные акустические колебания (БАО) служат «космической линейкой» для отслеживания истории расширения Вселенной.
– Распределение крупномасштабных сооружений, чувствительных к темпам расширения.
Теория темной энергии: от космологической постоянной до квинтэссенции
1. Космологическая постоянная (Λ)
Простейшее объяснение — космологическая постоянная Эйнштейна: энергия вакуума, плотность которой остается постоянной во времени. Стандартная модель современной космологии часто записывается как ΛCDM, где Λ — темная энергия, а CDM — «холодная темная материя». Эта модель удивительно успешно объясняет большую часть данных.
Проблема заключается в следующем: когда физики пытаются рассчитать энергию вакуума на основе квантовой теории, результаты оказываются намного больше наблюдаемых значений — разница может быть экстремальной. Это известно как проблема космологической постоянной.
2. Квинтэссенция
В этой модели темная энергия не является постоянной величиной, а возникает из динамического скалярного поля, изменяющегося со временем. Это позволяет плотности темной энергии эволюционировать, что (теоретически) может уменьшить «странность» космологической постоянной. Однако эту модель следует интерпретировать с осторожностью, чтобы избежать противоречий с наблюдательными данными, которые показывают поведение темной энергии, близкое к постоянной величине.
3. «Фантомная» тёмная энергия и модифицированная теория относительности
Существуют модели, допускающие параметр состояния темной энергии (w) меньше -1 («фантомный»), что потенциально может привести к экстремальным сценариям, таким как Большой Разрыв. Также существуют подходы, модифицирующие теорию гравитации в больших масштабах (например, гравитация f(R)), так что ускорение появляется без отдельной компоненты темной энергии.
Вызовы и направления будущих исследований
Хотя модель ΛCDM стала «стандартной» моделью космологии, многие фундаментальные вопросы остаются открытыми:
– Что представляют собой частицы темной материи? Почему их не удалось обнаружить в лабораторных условиях?
– Действительно ли тёмная энергия является космологической постоянной? Или она меняется со временем?
– Натяжение Хаббла: измерения текущей скорости расширения Вселенной (H0) на основе данных реликтового излучения и локальных измерений иногда не идеально совпадают, что открывает возможность существования новой физики.
Для решения этой проблемы ведутся различные наблюдательные и экспериментальные проекты: масштабные обзоры галактик, более точные измерения гравитационного линзирования, детекторы частиц нового поколения и все более детальное картирование барионных осцилляций. Достижения в вычислительной технике также помогают в моделировании формирования космической структуры, позволяя различать сценарии с темной материей и альтернативные варианты.
обложка
Темная материя и темная энергия — две ключевые концепции, формирующие наше современное понимание Вселенной. Темная материя в основном «видима» благодаря своему гравитационному влиянию на галактики и скопления галактик, в то время как темная энергия возникла из необходимости объяснить ускоряющееся расширение Вселенной. Хотя ни одна из них не до конца понята, модель ΛCDM, объединяющая эти две концепции, оказалась удивительно успешной в сопоставлении со многими наблюдениями.
Но этот успех — не конец истории. На самом деле, «тьма», окутывающая большую часть космоса, намекает на то, что существуют еще нераскрытые слои фундаментальной физики. По мере совершенствования наблюдательных технологий и повышения чувствительности экспериментов с частицами мы приближаемся к ответам на важные вопросы: является ли темная материя новой частицей, является ли темная энергия свойством пустого пространства, или нам необходимо пересмотреть наше понимание самой гравитации.
