Тёмная материя и тёмная энергия

Тёмная материя и тёмная энергия

В 30-х годах ХХ в. швейцарец Ф. Цвикки наблюдал за одним из самых больших галактических скоплений в созвездии Волосы Вероники. Из наблюдений выяснилось, что видимая масса скопления гораздо меньше существующей. Эти данные подтвердились через сорок лет Верой Рубин. Стало понятно, что некая тёмная материя и тёмная энергия наполняют основной массой и галактическое пространство, и любое другое.

Как это начиналось

Наличие неизвестной субстанции начали предполагать исходя из некоторых наблюдении:

  • Скорости вращения галактик не убывают от центра к краям. Убывание скорости должно происходить, если галактическая масса соответствует видимой.
  • Исследования спутников галактик и шаровых скоплений показывали, что вся масса галактики больше общей массы её звёзд и других составляющих
  • Двойные галактические системы и скопления обладали большей долей тёмной материи
  • В эллиптических галактиках звёздной массы не хватит, чтобы удерживать горячий газ

Из всех наблюдений выявились некоторые свойства таинственного вещества. Оно может взаимодействовать с веществом барионным, светящимся. Тёмное вещество в несколько раз плотнее барионного, и захватывает его частицы посредством гравитационных ям. Вследствие этого происходит свечение. Вокруг нашего светила, на расстояниях до 13 тыс. св. лет, больших объёмов тёмной материи не выявлено, хотя, по расчётам, концентрация её должна быть порядка 0,5 кг на объём Земли. Обсерватория «Планк» в 2013 году опубликовала данные о составе наблюдаемой Вселенной. Обычная (барионная) материя составляет 4,9%, тёмная – 26,8%, а тёмная энергия – 68,3%. Из этого очевидно, что тёмная материя и тёмная энергия — основа нашей Вселенной.

Что входит в тёмную материю (теории)

Барионная тёмная материя. Вполне логично допущение, что эта материя обычная, но плохо взаимодействующая электромагнитным образом. Поэтому обнаружить её не удаётся. Состав этого вещества может быть таким: звёзды-карлики, тёмные гало, нейтронные звёзды, чёрные дыры. Возможно присутствие звёзд кварковых и преонных, но они имеют статус объектов гипотетических. Такой вариант объяснения тёмной материи следует из космологии Большого взрыва. Исходя из этого, получается, что концентрация лёгких элементов должна быть резко отличной от наблюдаемой.

Небарионная тёмная материя. Предполагаемых объектов такого вещества достаточно. Но, конечно, всё это – теоретические модели.

Лёгкие нейтрино. Эти частицы реально существуют, и этот факт доказан. Считается, что их число во Вселенной аналогично числу фотонов. Хотя они и обладают очень малой массой, но общее число вполне может влиять на динамику пространства. Их масса в диапазоне 10-2 – 10-3 эВ. После производства некоторых экспериментов выяснилось, что лёгкие нейтрино не могут быть доминирующей частью тёмной материи.

Тяжёлые нейтрино. Эти нейтрино названы стерильными за неспособность слабого взаимодействия. Изученные свойства этих частиц таковы, что они вполне способны составить значительную часть тёмной материи. Параметры их масс — 10-1 – 10-4 эВ.

Аксионы. Такой тип частиц относится к гипотетическим нейтральным. Они введены в квантовую хромодинамику для решения некоторых проблем. Возможно, что они составляют существенную часть тёмной материи, несмотря на небольшую массу — 10-5 эВ.

Суперсимметричные частицы. Теоретически существует одна такая частица — LSP. Она стабильная, и не участвует во взаимодействиях электромагнитных и сильных. Ею может быть гравитино, фотино, хиггсино и некоторые другие.

Космионы. Такие частицы ввели в физику, чтобы разрешить проблемы солнечных нейтрино. Но, после разрешения некоторых теорий, эти частицы, вероятно, исключат из числа претендентов, составляющих тёмную материю.

Дефекты пространства-времени. В вакуумном поле Вселенной могли происходить энергетические скачки. Результатом этого могла стать различная выстроенность скалярного поля. При взаимодействии областей, имеющих различную ориентацию, образовывались дефекты разных конфигураций. Объекты, полученные при этом, наделены большой массой. Они вполне могли бы стать доминирующей составляющей тёмной материи. Но пока такие частицы не обнаружены.

Классификация

Начальные стадии развития Вселенной характерны термодинамическим равновесием между частицами тёмной материи и космической плазмы. В какой-то момент началось падение температуры, из-за чего изменились параметры пролёта частиц в плазме. Все взаимодействия с барионными частицами прекратились. Исходя из значений температуры, при которых это случилось, тёмная материя разделяется на три типа:

  1. Горячая. Такой параметр тёмной материи получился из-за многократного превышения энергии частиц над их массой, случившегося в точке выхода из равновесия.
  2. Холодная. Это частицы, вылетевшие из плазмы в состоянии нерелятивистском, то есть, не имеющие околосветовых скоростей. На роль таких частиц претендует класс вимпов – это массивные, но слабо взаимодействующие частицы. Они тоже пока существуют только в умах учёных. Они имеют приличную массу – больше десятков ГэВ – и остаточную концентрацию, которая способна сбалансировать энергии современной Вселенной. Сила их взаимодействия с барионным веществом позволяет надеяться на обнаружение их в прямом виде. Из теоретических разработок следует, что тёмная материя в любой галактике должна особенно концентрироваться в её центре. Но астрономические наблюдения  опровергают это, показывая, что она собирается в гало вокруг галактик и наполняет межгалактические пустоты.
  3. Тёплая. Такой тип материи составляют частицы, имеющие массу, не меньше 1 эВ. На выходе из равновесного состояния такие частицы были релятивистские. Они могли образоваться во время  перехода из одной стадии расширения Вселенной в другую. Возможными кандидатами на роль такого типа материи стали нейтрино и LSP-гравитино.
Тёмная энергия

Поскольку Вселенная расширяется не с замедлением, что вполне логично, а наоборот, ускоряясь, нужно было это объяснить. Для решения проблемы была придумана тёмная энергия, которая уравновешивает положения математической модели Вселенной.

Сущность этого вида энергии заключается в неизменности энергетической плотности, заполняющей пространство. То есть, тёмная энергия является космологической константой, характеризующей некоторые свойства вакуума. Она тяготеет к антигравитации, увеличивая темп расширения Вселенной. Тёмная энергия сама себя расталкивает, ускоряя разбегание стандартной галактической материи. Но она же имеет отрицательное давление, дающее веществу силу, не позволяющую веществу «растягиваться». Наблюдения за сверхновыми звёздами типа Ia показывают, что Вселенная расширяется с ускорением. Другие наблюдения, в частности, за реликтовым излучением, подкрепили эти выводы.

Наблюдения сверхновых

В конце второго тысячелетия обнаружился любопытный факт свойств сверхновых звёзд в удалённых галактиках. А именно, они имели яркость, которая была ниже положенной им по статусу. Расстояние до галактик, получалось больше, чем вычисленное по параметрам Хаббла. Стало ясно, что расширение Вселенной идёт с ускорением. Это шло вразрез теории о замедлении расширения. Она основывалась на том, что главная часть массы Вселенной – материя, видимая и тёмная. Но только наличие невидимых энергий позволяло объяснить нестандартное ускорение.

Энергия и масса

Предположение о том, что тёмная энергия существует, решила много проблем. В частности, было объяснено присутствие невидимой массы. Все теории формирования структур Вселенной основаны на критической плотности, необходимой для того, чтобы её форма была плоской. А общей плотности барионной и тёмной материй всего 30%. Все произведённые исследования показывают, что форма Вселенной подобна плоскости. Из этого выходит, что оставшиеся 70% всей плотности даёт тёмная энергия.

Что из себя представляет тёмная энергия

Природа тёмной энергии пока не ясна. Очевидно лишь то, что при малой плотности её  распределение очень равномерно. Она не проявляет какого-либо взаимодействия с обычной материей, исключая гравитационное. При гипотетической плотности 10-29г/см3, обнаружение тёмной энергии практически невозможно. Глобальное влияние её на вселенское пространство реально только из-за однородного его заполнения.

Космологическая постоянная

У каждого пространственного объёма должна быть фундаментальная, присущая именно ему, энергия. Она носит название энергии вакуума, так как она – энергетическая плотность чистого вакуума. Это космологическая постоянная, введение которой позволило построить нынешнюю модель космологии. Пока она неплохо соответствует существующим космологическим наблюдениям, объясняя наличие тёмной энергии.

Изучение тёмной материи

Пока известно о трёх методах, позволяющих производить прямые астрономические наблюдения.

  1. Динамический. Изучаются радиальные скорости галактик в их скоплениях при помощи современных приборов.
  2. Газодинамический. Исследуется рентгеновское излучение горячих газов скоплений.
  3. Расчёт слабого гравитационного линзирования. Для этого метода необходимы точные изображения очень удалённых крупнейших скоплений галактик.
Фактическое обнаружение частиц

Все частицы тёмной материи не имеют электрического заряда. Это является главной трудностью в их поиске, существующем в двух вариантах.

  1. Прямой. Используя наземную аппаратуру, проводятся изучения следствий, вытекающих из взаимодействия тёмных частиц с электронами и ядрами атомов.
  2. Косвенный. Отыскиваются возможные потоки вторичных частиц, возникших в результате различных действий, например аннигиляции материи.

Всё усложняющиеся наблюдения учёных за нашим миром, позволяют сделать вывод, что большая часть его нам неведома. 95% всего наполнения Вселенной – интересная загадка, которую ещё предстоит решить.

ПОДЕЛИТЬСЯ