Тъмна материя и тъмна енергия във Вселената. Какво представлява тъмната материя? Съществува ли тъмна материя?

Какво стана тъмна материя и тъмна енергияВселената: структура на пространството със снимки, обем в проценти, влияние върху обекти, изследване, разширяване на Вселената.

Около 80% от пространството е представено от материал, който е скрит от прякото наблюдение. Става въпрос за тъмна материя– вещество, което не произвежда енергия или светлина. Как изследователите са разбрали, че е доминиращ?

През 50-те години на миналия век учените започват активно да изучават други галактики. По време на анализите те забелязаха, че Вселената е изпълнена с повече материал, отколкото може да бъде уловен от „видимото око“. Привържениците на тъмната материя се появяват всеки ден. Въпреки че нямаше преки доказателства за съществуването му, теориите нарастваха, както и заобиколните решения за наблюдение.

Материалът, който виждаме, се нарича барионна материя. Той е представен от протони, неутрони и електрони. Смята се, че тъмната материя е способна да комбинира барионна и небарионна материя. За да остане Вселената в обичайната си цялост, тъмната материя трябва да присъства в количество от 80%.

Неуловимата субстанция може да бъде невероятно трудна за намиране, ако съдържа барионна материя. Сред кандидатите са кафяви и бели джуджета, както и неутронни звезди. Свръхмасивните черни дупки също могат да допринесат за разликата. Но те трябва да са допринесли с повече влияние от това, което учените са видели. Има хора, които смятат, че тъмната материя трябва да се състои от нещо по-необичайно и рядко.

Композитен образ на Хъбъл на призрачен пръстен от тъмна материя в галактическия куп Cl 0024+17

По-голямата част от научния свят смята, че неизвестното вещество е представено главно от небарионна материя. Най-популярният кандидат е WIMPS (слабо взаимодействащи масивни частици), чиято маса е 10-100 пъти по-голяма от тази на протона. Но тяхното взаимодействие с обикновената материя е твърде слабо, което прави намирането им по-трудно.

Неутрино, масивни хипотетични частици, които са с по-голяма маса от неутриното, но се характеризират със своята бавност, сега се изследват много внимателно. Все още не са открити. По-малка неутрална аксиома и девствени фотони също се разглеждат като възможни варианти.

Друга възможност е знанията за гравитацията да са остарели и трябва да бъдат актуализирани.

Невидима тъмна материя и тъмна енергия

Но ако не виждаме нещо, как можем да докажем, че то съществува? И защо решихме, че тъмната материя и тъмната енергия са нещо реално?

Масата на големи обекти се изчислява от тяхното пространствено движение. През 50-те години на миналия век изследователите, разглеждащи спиралните галактики, предположиха, че материалът, който е близо до центъра, ще се движи много по-бързо от материала, който е по-далеч. Но се оказа, че звездите се движат с еднаква скорост, което означава, че има много повече маса, отколкото се смяташе досега. Газът, изследван в елиптични типове, показа същите резултати. Същото заключение се предполага: ако се ръководехме само от видимата маса, тогава галактическите купове щяха да се разпаднат отдавна.

Алберт Айнщайн успя да докаже, че големите универсални обекти са способни да огъват и изкривяват светлинните лъчи. Това им позволи да бъдат използвани като естествена увеличителна леща. Изучавайки този процес, учените успяха да създадат карта на тъмната материя.

Оказва се, че по-голямата част от нашия свят е представена от все още неуловима субстанция. Още интересни неща за тъмната материя ще научите, ако изгледате видеото.

Тъмна материя

Физикът Дмитрий Казаков за цялостния енергиен баланс на Вселената, теорията за скритата маса и частиците на тъмната материя:

Ако говорим за материя, то тъмната материя със сигурност води в процентно отношение. Но като цяло заема само една четвърт от всичко. Вселената изобилства тъмна енергия.

След Големия взрив космосът е започнал процес на разширяване, който продължава и днес. Изследователите смятат, че в крайна сметка първоначалната енергия ще се изчерпи и ще се забави. Но далечните свръхнови показват, че космосът не спира, а набира скорост. Всичко това е възможно само ако количеството енергия е толкова огромно, че преодолява гравитационното влияние.

Тъмна материя и тъмна енергия: обяснена мистерия

Знаем, че Вселената е предимно тъмна енергия. Това е мистериозна сила, която кара пространството да увеличава скоростта на разширяване на Вселената. Друг мистериозен компонент е тъмната материя, която поддържа контакт с обектите само чрез гравитацията.

Учените не могат да видят тъмна материя чрез директно наблюдение, но ефектите могат да бъдат изследвани. Те успяват да уловят светлина, която е огъната от гравитационната сила на невидимите обекти (гравитационни лещи). Те също забелязват моменти, когато звездата се върти около галактиката много по-бързо, отколкото трябва.

Всичко това се обяснява с наличието на огромно количество неуловима субстанция, която влияе върху масата и скоростта. Всъщност това вещество е обвито в тайни. Оказва се, че изследователите по-скоро могат да кажат не какво е пред тях, а какво „то” не е.

Този колаж показва изображения на шест различни галактически купа, направени от космическия телескоп Хъбъл на НАСА. Клъстерите са открити по време на опити за изследване на поведението на тъмната материя в галактическите клъстери по време на техния сблъсък

Тъмна материя... тъмна. Не произвежда светлина и не се наблюдава при пряка видимост. Затова изключваме звездите и планетите.

Той не действа като облак от обикновена материя (такива частици се наричат ​​бариони). Ако барионите присъстваха в тъмната материя, това би се появило при пряко наблюдение.

Ние също така изключваме черните дупки, защото те действат като гравитационни лещи, които излъчват светлина. Учените не наблюдават достатъчно събития на лещи, за да изчислят количеството тъмна материя, което трябва да присъства.

Въпреки че Вселената е огромно място, всичко започна с най-малките структури. Смята се, че тъмната материя е започнала да се кондензира, за да създаде "градивни елементи" с нормална материя, произвеждайки първите галактики и клъстери.

За да открият тъмната материя, учените използват различни методи:

• Големият адронен колайдер.
• инструменти като WNAP и космическата обсерватория Планк.
• експерименти за директен преглед: ArDM, CDMS, Zeplin, XENON, WARP и ArDM.
• индиректно откриване: детектори за гама лъчи (Fermi), телескопи за неутрино (IceCube), детектори за антиматерия (PAMELA), рентгенови и радио сензори.

Методи за търсене на тъмна материя

Физикът Антон Баушев за слабите взаимодействия между частиците, радиоактивността и търсенето на следи от анихилация:

Навлизане по-дълбоко в мистерията на тъмната материя и тъмната енергия

Учените никога не са успели да видят буквално тъмната материя, тъй като тя не влиза в контакт с барионна материя, което означава, че остава неуловима за светлина и други видове електромагнитно излъчване. Но изследователите са уверени в присъствието му, докато наблюдават въздействието върху галактиките и клъстерите.

Стандартната физика казва, че звездите, разположени в краищата на спирална галактика, трябва да забавят скоростта си. Но се оказва, че се появяват звезди, чиято скорост не се подчинява на принципа на местоположението спрямо центъра. Това може да се обясни само с факта, че звездите усещат влиянието на невидимата тъмна материя в ореола около галактиката.

Наличието на тъмна материя също може да дешифрира някои от илюзиите, наблюдавани в дълбините на Вселената. Например наличието на странни пръстени и светлинни дъги в галактиките. Тоест светлината от далечни галактики преминава през изкривяването и се усилва от невидим слой тъмна материя (гравитационна леща).

Досега имаме няколко идеи за това какво е тъмна материя. Основната идея е екзотични частици, които не влизат в контакт с обикновена материя и светлина, но имат сила в гравитационен смисъл. Сега няколко групи (някои използващи Големия адронен колайдер) работят върху създаването на частици от тъмна материя, които да изследват в лабораторията.

Други смятат, че влиянието може да се обясни с фундаментална модификация на гравитационната теория. Тогава получаваме няколко форми на гравитация, което значително се различава от обичайната картина и законите, установени от физиката.

Разширяващата се вселена и тъмната енергия

Ситуацията с тъмната енергия е още по-объркваща и самото откритие стана непредсказуемо през 90-те години. Физиците винаги са смятали, че силата на гравитацията работи, за да забави и един ден може да спре процеса на универсално разширяване. Два екипа се заели със задачата да измерят скоростта и за тяхна изненада открили ускорение. Все едно хвърляте ябълка във въздуха и знаете, че тя непременно ще падне, но се отдалечава все повече и повече от вас.

Стана ясно, че ускорението се влияе от определена сила. Освен това изглежда, че колкото по-широка е Вселената, толкова повече „мощ“ придобива тази сила. Учените решили да я нарекат тъмна енергия.

Теоретична конструкция във физиката, наречена Стандартен модел, описва взаимодействията на всички елементарни частици, известни на науката. Но това е само 5% от материята, съществуваща във Вселената, останалите 95% са от напълно неизвестен характер. Какво представлява тази хипотетична тъмна материя и как учените се опитват да я открият? Hayk Hakobyan, студент от MIPT и служител на катедрата по физика и астрофизика, говори за това като част от специален проект.

Стандартният модел на елементарните частици, окончателно потвърден след откриването на бозона на Хигс, описва фундаменталните взаимодействия (електрослаби и силни) на обикновените частици, които познаваме: лептони, кварки и носители на сила (бозони и глуони). Оказва се обаче, че цялата тази огромна сложна теория описва само около 5-6% от цялата материя, докато останалата част не се вписва в този модел. Наблюденията на най-ранните моменти от нашата Вселена ни показват, че приблизително 95% от материята, която ни заобикаля, е от напълно непознато естество. С други думи, ние косвено виждаме присъствието на тази скрита материя поради нейното гравитационно влияние, но все още не сме успели да я уловим директно. Този феномен на скрита маса е наречен "тъмна материя".

Съвременната наука, особено космологията, работи според дедуктивния метод на Шерлок Холмс

Сега основният кандидат от групата WISP е аксионът, който възниква в теорията за силното взаимодействие и има много малка маса. Такава частица е способна да се превърне в двойка фотон-фотон в силни магнитни полета, което подсказва как може да се опита да я открие. Експериментът ADMX използва големи камери, които създават магнитно поле от 80 000 гауса (това е 100 000 пъти повече от магнитното поле на Земята). На теория такова поле трябва да стимулира разпадането на аксион в двойка фотон-фотон, която детекторите трябва да уловят. Въпреки многобройните опити, все още не е възможно да се открият WIMP, аксиони или стерилни неутрино.

Така преминахме през огромен брой различни хипотези, търсещи обяснение на странното присъствие на скритата маса, и след като отхвърлихме всички невъзможности с помощта на наблюдения, стигнахме до няколко възможни хипотези, с които вече можем да работим.

Отрицателният резултат в науката също е резултат, тъй като дава ограничения върху различни параметри на частиците, например елиминира обхвата на възможните маси. От година на година все повече и повече нови наблюдения и експерименти в ускорителите предоставят нови, по-строги ограничения върху масата и други параметри на частиците тъмна материя. Така, изхвърляйки всички невъзможни варианти и стеснявайки кръга от търсения, ден след ден се доближаваме до разбирането от какво се състои 95% от материята в нашата Вселена.

Първият учен, който теоретично обосновава и изчислява възможността за съществуването на скрита неизвестна материя е швейцарският астроном от български произход Фриц Цвики. Използвайки методите на Доплер, ученият изчислява скоростите на осем галактики, разположени в съзвездието Вероника. В научната литература понякога се среща друго романтично име - косата на Вероника.

Тъмна материя и тъмна енергия

История на откриването на неизвестна маса

Логиката на изчисленията на Цвики беше следната. Гравитационното поле трябва да поддържа галактиките в техния клъстер. Въз основа на тази позиция се изчислява необходимата маса. Галактиките излъчват светлина, така че може да се изчисли още една стойност за галактическата маса. Тези две стойности трябваше да съвпаднат, но това не се случи. Стойностите се различаваха значително. Необходима е много по-голяма маса, за да може гравитационното поле да попречи на галактиките да се разлетят.

Именно тази липсваща част от нея Цвики даде името "тъмна материя"

Както показват изчисленията на учения, в съзвездието има много по-малко обикновена материя, отколкото тъмна материя. Цвики публикува резултатите си в неизвестно списание Хелветика Physica Acta .

През следващите 40 години обаче астрофизиците се опитаха да не забележат такъв тревожен и изключителен резултат.

През 1970 г. Вера Рубин и У. К. Форд за първи път изследват ротационните движения на мистериозната мъглявина Андромеда. Малко по-късно е изследвано движението на повече от 60 галактики. Проучванията показват, че скоростта на въртене на галактиките е много по-голяма от скоростта, осигурена от видимата им видима маса. Полученият комплекс от безспорни наблюдавани факти е доказателство за съществуването на скрита неизвестна материя.

Тъмна материя. Анатолий Владимирович

Общи представи за неизвестни частици от непозната материя

В своите изследвания физиците понякога използват методи, които са трудни за обикновените хора за идентифициране на непознати обекти във Вселената. Те очертават непознати явления с твърдо установени и експериментално проверени модели и започват бавно да „притискат” упорития феномен, търпеливо чакайки необходимата информация от него.

Тъмната материя обаче показва истинска гравитационна смелост пред научното любопитство на физиците.

Скритата материя се струпва по същия начин като обикновената материя, образувайки галактики и техните клъстери. Това може би е единственото сходство между добре познатата видима материя и неизвестната маса, чийто дял е 25% в енергийната „банка“ на Вселената.

Този неизвестен акционер на нашата Вселена има прости свойства. Достатъчно студената скрита материя охотно взаимодейства с видимия си съсед (по-специално с бариони) изключително в гравитационни условия. Трябва да се отбележи, че космическата плътност на барионите е няколко пъти по-малка от плътността на скритата материя. Това превъзходство в плътността му позволява действително да „насочва“ гравитационния потенциал на Вселената.

Учените предполагат, че материалният състав на материята– това са нови неизвестни частици. Но досега не са открити. Известно е само, че те не се разпадат на още по-малки елементи от природата. В противен случай във времевия диапазон на Вселената те вече биха преминали през процеса на разпадане. Следователно този факт красноречиво говори в полза на факта, че има нов закон за запазване, който забранява разпадането на частиците. Все още обаче не е отворен.

Освен това материята на тъмната материя „не обича“ да взаимодейства с известни частици. Поради това обстоятелство съставът на скритата маса не може да бъде определен чрез земни опити. Природата на частиците остава неизвестна.

Пазители на честотата - хетерогенна вселена

Какви са начините за търсене на частици тъмна материя?

Нека изброим няколко начина.

1. Има предположение че протоните са с 2-3 порядъка по-леки от неизвестните частици. В този случай те могат да се родят при сблъсъци с видими частици, ако бъдат ускорени до много високи енергии в колайдер.
2. Останах с впечатление че непознати частици са някъде там, в далечни галактики. Не само там, но и близо до нас. Предполага се, че в един кубичен метър техният брой може да достигне 1000 броя. Те обаче предпочитат да избягват сблъсъци с атомните ядра на известно вещество. Въпреки че има такива случаи и учените се надяват да ги регистрират.
3. неизвестни частици скритата маса се унищожават взаимно. Тъй като обикновената материя е напълно прозрачна за тях, те могат да попаднат в и. Един от продуктите на процеса на анихилация е неутрино, което има способността лесно да прониква през цялата дебелина на Слънцето и Земята. Регистрирането на такива неутрино може да разкрие неизвестни частици.

Каква е природата на скритата маса?

Учените очертаха три направления в изучаването на природата на тъмната материя.

1. Барионна тъмна материя.

При това предположение всички частици са добре известни. Но тяхното излъчване се проявява по такъв начин, че не може да бъде открито.

• обикновена материя, силно разпръсната в пространството между галактиките;
• масивни астрофизични хало обекти (MACHO).

Тези обекти, заобикалящи галактиките, са относително малки по размер. Имат много слабо излъчване. Тези свойства правят невъзможно откриването им.

Телата могат да включват следните обекти:

• кафяви джуджета;
• бели джуджета;
• черни дупки;
• неутронни звезди.

Търсенето на горните обекти се извършва с помощта на гравитационни лещи.

1. Небарионна тъмна материя.

Съставът на веществото е неизвестен. Има две възможности:

• студена маса, която може да включва фотино, аксиони и кваркови съсиреци;
• гореща маса (неутрино).

1. Нов поглед към гравитацията.

Истината на теорията

Възможно е междугалактическите разстояния да ни принудят да погледнем на почитаната от времето теория за гравитацията от нов ъгъл на галактическа визия.

Свойствата на тайната материя все още предстои да бъдат открити. Възможно ли е човек да знае това и какво ще прави с такова богатство – на тези въпроси ще отговори само бъдещето.

Всичко, което виждаме около нас (звезди и галактики) е не повече от 4-5% от общата маса на Вселената!

Според съвременните космологични теории нашата Вселена се състои само от 5% от обикновена, така наречената барионна материя, която формира всички наблюдаеми обекти; 25% тъмна материя, открита поради гравитацията; и тъмна енергия, съставляваща до 70% от общия брой.

Термините тъмна енергия и тъмна материя не са съвсем сполучливи и представляват буквален, но не семантичен превод от английски.

Във физически смисъл тези термини само означават, че тези вещества не взаимодействат с фотони и те биха могли също толкова лесно да бъдат наречени невидима или прозрачна материя и енергия.

Много съвременни учени са убедени, че изследванията, насочени към изучаване на тъмната енергия и материя, вероятно ще помогнат да се отговори на глобалния въпрос: какво очаква нашата Вселена в бъдеще?

Групи с размерите на галактика

Тъмната материя е вещество, което най-вероятно се състои от нови, все още неизвестни частици в земните условия и има свойства, присъщи на най-обикновената материя. Например, той също е способен, подобно на обикновените вещества, да се събира в бучки и да участва в гравитационни взаимодействия. Но размерът на тези така наречени групи може да надхвърли цяла галактика или дори клъстер от галактики.

Подходи и методи за изследване на частици тъмна материя

В момента учените по целия свят се опитват по всякакъв начин да открият или изкуствено да получат частици от тъмна материя в земни условия, като използват специално проектирано високотехнологично оборудване и много различни методи за изследване, но досега цялата работа не е увенчана с успех.

Един метод включва провеждане на експерименти с високоенергийни ускорители, известни като колайдери. Учените, вярвайки, че частиците на тъмната материя са 100-1000 пъти по-тежки от протона, предполагат, че те ще трябва да бъдат генерирани от сблъсък на обикновени частици, ускорени до високи енергии с помощта на колайдер. Същността на друг метод е да се регистрират частици тъмна материя, които са навсякъде около нас. Основната трудност при регистриране на тези частици е, че те проявяват много слабо взаимодействие с обикновените частици, които по своята същност са като че ли прозрачни за тях. И все пак, частиците тъмна материя много рядко, но се сблъскват с ядрата на атомите и има известна надежда рано или късно да се регистрира това явление.

Има и други подходи и методи за изследване на частиците тъмна материя и кой от тях ще успее първи, само времето ще покаже, но при всички случаи откриването на тези нови частици ще бъде голямо научно постижение.

Вещество с антигравитация

Тъмната енергия е още по-необичайна субстанция от същата тъмна материя. Той няма способността да се събира на бучки, в резултат на което е равномерно разпределен в цялата Вселена. Но най-необичайното му свойство в момента е антигравитацията.

Природата на тъмната материя и черните дупки

Благодарение на съвременните астрономически методи е възможно да се определи скоростта на разширяване на Вселената в момента и да се симулира процесът на нейното изменение по-рано във времето. В резултат на това беше получена информация, че в момента, както и в близкото минало, нашата Вселена се разширява, като темпото на този процес непрекъснато се увеличава. Ето защо възниква хипотезата за антигравитацията на тъмната енергия, тъй като обикновеното гравитационно привличане би имало забавящ ефект върху процеса на „рецесия на галактиката“, ограничавайки скоростта на разширяване на Вселената. Това явление не противоречи на общата теория на относителността, но тъмната енергия трябва да има отрицателно налягане - свойство, което не притежава никое познато в момента вещество.

Кандидати за ролята на "Тъмна енергия"

Масата на галактиките в клъстера Abel 2744 е по-малко от 5 процента от общата му маса. Този газ е толкова горещ, че свети само в рентгенови лъчи (червени на това изображение). Разпределението на невидимата тъмна материя (която съставлява около 75 процента от масата на клъстера) е оцветено в синьо.

Един от предполагаемите кандидати за ролята на тъмна енергия е вакуумът, чиято енергийна плътност остава непроменена по време на разширяването на Вселената и по този начин потвърждава отрицателното налягане на вакуума. Друг предполагаем кандидат е "квинтесенцията" - неизвестно досега ултра-слабо поле, което се предполага, че преминава през цялата Вселена. Има и други възможни кандидати, но нито един от тях досега не е допринесъл за получаване на точен отговор на въпроса: какво е тъмна енергия? Но вече е ясно, че тъмната енергия е нещо напълно свръхестествено, оставайки основната мистерия на фундаменталната физика на 21 век.

В статиите от поредицата разгледахме структурата на видимата Вселена. Говорихме за неговата структура и частиците, които образуват тази структура. За нуклоните, които играят основна роля, тъй като от тях се състои цялата видима материя. За фотони, електрони, неутрино, а също и за поддържащите актьори, участващи в универсалната игра, която се развива 14 милиарда години след Големия взрив. Изглежда, че няма какво повече да се говори. Но това не е вярно. Факт е, че субстанцията, която виждаме, е само малка част от това, от което се състои нашият свят. Всичко останало е нещо, за което не знаем почти нищо. Това мистериозно „нещо“ се нарича тъмна материя.

Ако сенките на обектите не зависеха от размера на последните,
и ако имаха собствен произволен растеж, тогава може би
скоро нямаше да остане нито едно светло място по цялото земно кълбо.

Козма Прутков

Какво ще се случи с нашия свят?

След откриването през 1929 г. от Едуард Хъбъл на червеното отместване в спектрите на далечни галактики става ясно, че Вселената се разширява. Един от въпросите, които възникнаха в тази връзка, беше следният: колко дълго ще продължи експанзията и как ще завърши? Силите на гравитационно привличане, действащи между отделни части на Вселената, са склонни да забавят бягството на тези части. До какво ще доведе спирането зависи от общата маса на Вселената. Ако е достатъчно голям, силите на гравитацията постепенно ще спрат разширяването и то ще бъде заменено от свиване. В резултат на това Вселената в крайна сметка ще се „срути“ отново до точката, от която някога е започнала да се разширява. Ако масата е по-малка от някаква критична маса, тогава разширяването ще продължи вечно. Обикновено е обичайно да се говори не за маса, а за плътност, която е свързана с масата чрез проста връзка, известна от училищния курс: плътността е маса, разделена на обем.

Изчислената стойност на критичната средна плътност на Вселената е приблизително 10 -29 грама на кубичен сантиметър, което съответства на средно пет нуклона на кубичен метър. Трябва да се подчертае, че говорим за средна плътност. Характерната концентрация на нуклони във водата, земята и в теб и мен е около 10 30 на кубичен метър. Но в празнотата, която разделя клъстери от галактики и заема лъвския дял от обема на Вселената, плътността е с десетки порядъци по-ниска. Стойността на концентрацията на нуклони, осреднена за целия обем на Вселената, беше измерена десетки и стотици пъти, внимателно преброяване на броя на звездите и газовите и прахови облаци по различни методи. Резултатите от такива измервания се различават донякъде, но качественият извод остава непроменен: плътността на Вселената едва достига няколко процента от критичната стойност.

Следователно до 70-те години на XX век общоприетата прогноза беше вечното разширяване на нашия свят, което неизбежно трябва да доведе до така наречената топлинна смърт. Топлинната смърт е състояние на система, когато веществото в нея е разпределено равномерно и различните й части имат еднаква температура. В резултат на това не е възможно нито прехвърлянето на енергия от една част на системата към друга, нито преразпределението на материята. В такава система нищо не се случва и никога не може да се повтори. Ясна аналогия е водата, разлята върху всяка повърхност. Ако повърхността е неравна и има поне леки разлики в надморската височина, водата се движи по нея от по-високи места към по-ниски места и накрая се събира в низините, образувайки локви. Движението спира. Единствената утеха беше, че топлинната смърт щеше да настъпи след десетки и стотици милиарди години. Следователно човек не може да мисли за тази мрачна перспектива много, много дълго време.

Постепенно обаче стана ясно, че истинската маса на Вселената е много по-голяма от видимата маса, съдържаща се в звездите и облаците газ и прах, и най-вероятно е близо до критичната. Или може би точно равен на него.

Доказателство за тъмната материя

Първите индикации, че нещо не е наред с изчисляването на масата на Вселената, се появяват в средата на 30-те години на миналия век. Швейцарският астроном Фриц Цвики измери скоростта, с която галактиките в купа Кома (един от най-големите известни на нас купове, включващ хиляди галактики) се движат около общ център. Резултатът беше обезсърчаващ: скоростите на галактиките се оказаха много по-високи, отколкото можеше да се очаква въз основа на наблюдаваната обща маса на клъстера. Това означаваше, че истинската маса на клъстера Coma Berenices е много по-голяма от видимата. Но основното количество материя, присъстващо в тази област на Вселената, по някаква причина остава невидимо и недостъпно за преки наблюдения, проявявайки се само гравитационно, тоест само като маса.

Наличието на скрита маса в галактическите купове се доказва и от експерименти с така наречените гравитационни лещи. Обяснението на това явление следва от теорията на относителността. В съответствие с него всяка маса деформира пространството и, подобно на леща, изкривява праволинейния път на светлинните лъчи. Изкривяването, което причиняват галактическите клъстери, е толкова голямо, че е лесно забележимо. По-специално, от изкривяването на изображението на галактиката, която се намира зад клъстера, е възможно да се изчисли разпределението на материята в клъстера от лещи и по този начин да се измери общата му маса. И се оказва, че той винаги е многократно по-голям от приноса на видимата материя на клъстера.

40 години след работата на Цвики, през 70-те години, американският астроном Вера Рубин изследва скоростта на въртене около галактическия център на материята, разположен в периферията на галактиките. В съответствие със законите на Кеплер (а те пряко следват от закона за всемирното привличане), когато се движат от центъра на галактиката към нейната периферия, скоростта на въртене на галактическите обекти трябва да намалява обратно пропорционално на корен квадратен от разстоянието до център. Измерванията показват, че за много галактики тази скорост остава почти постоянна на много значително разстояние от центъра. Тези резултати могат да се тълкуват само по един начин: плътността на материята в такива галактики не намалява при движение от центъра, а остава почти непроменена. Тъй като плътността на видимата материя (съдържаща се в звездите и междузвездния газ) бързо пада към периферията на галактиката, липсващата плътност трябва да бъде осигурена от нещо, което по някаква причина не можем да видим. За да се обяснят количествено наблюдаваните зависимости на скоростта на въртене от разстоянието до центъра на галактиките, се изисква това невидимо „нещо“ да бъде приблизително 10 пъти по-голямо от обикновената видима материя. Това „нещо“ беше наречено „тъмна материя“ (на английски „ тъмна материя") и все още остава най-интригуващата мистерия в астрофизиката.

Друго важно доказателство за наличието на тъмна материя в нашия свят идва от изчисления, симулиращи процеса на образуване на галактики, започнал около 300 000 години след Големия взрив. Тези изчисления показват, че силите на гравитационното привличане, действащи между летящите фрагменти от материята, генерирани по време на експлозията, не могат да компенсират кинетичната енергия на разширяването. Материята просто не би трябвало да се събира в галактиките, които все пак наблюдаваме в съвременната епоха. Този проблем беше наречен галактически парадокс и дълго време се смяташе за сериозен аргумент срещу теорията за Големия взрив. Ако приемем обаче, че частици от обикновена материя в ранната Вселена са били смесени с частици от невидима тъмна материя, тогава всичко си идва на мястото в изчисленията и краищата започват да се срещат - образуването на галактики от звезди, а след това и на купове от галактики , става възможно. В същото време, както показват изчисленията, отначало в галактиките се натрупват огромен брой частици тъмна материя и едва след това, поради гравитационните сили, върху тях се събират елементи от обикновена материя, чиято обща маса е само няколко процента от общата маса на Вселената. Оказва се, че познатият и сякаш подробно проучен видим свят, който наскоро смятахме за почти разбран, е само малка добавка към нещо, от което всъщност се състои Вселената. Планетите, звездите, галактиките и ти и аз сме просто параван за едно огромно „нещо“, за което нямаме ни най-малка представа.

Фотофакт

Галактическият куп (в долния ляв ъгъл на оградената област) създава гравитационна леща. Той изкривява формата на обектите, разположени зад обектива - разтягайки изображенията им в една посока. Въз основа на величината и посоката на разтягането, международна група астрономи от Южноевропейската обсерватория, ръководена от учени от Парижкия институт по астрофизика, конструира масово разпределение, което е показано на долното изображение. Както можете да видите, клъстерът съдържа много повече маса, отколкото може да се види през телескоп.

Ловът на тъмни, масивни обекти не е бърза задача и резултатът не изглежда най-впечатляващ на снимките. През 1995 г. телескопът Хъбъл забелязва, че една от звездите в Големия магеланов облак светва по-ярко. Този блясък продължи повече от три месеца, но след това звездата се върна към естественото си състояние. И шест години по-късно до звездата се появи едва светещ обект. Това беше студено джудже, което, преминавайки на разстояние 600 светлинни години от звездата, създаде гравитационна леща, която усили светлината. Изчисленията показват, че масата на това джудже е само 5-10% от масата на Слънцето.

И накрая, общата теория на относителността недвусмислено свързва скоростта на разширяване на Вселената със средната плътност на съдържащата се в нея материя. Ако приемем, че средната кривина на пространството е нула, тоест геометрията на Евклид, а не на Лобачевски работи в него (което е надеждно проверено, например в експерименти с космическо микровълново фоново излъчване), тази плътност трябва да бъде равна на 10 - 29 грама на кубичен сантиметър. Плътността на видимата материя е приблизително 20 пъти по-малка. Липсващите 95% от масата на Вселената са тъмна материя. Имайте предвид, че стойността на плътността, измерена от скоростта на разширяване на Вселената, е равна на критичната стойност. Две стойности, независимо изчислени по напълно различни начини, съвпаднаха! Ако действително плътността на Вселената е точно равна на критичната плътност, това не може да е съвпадение, а е следствие от някакво фундаментално свойство на нашия свят, което тепърва трябва да бъде разбрано и осмислено.

Какво е това?

Какво знаем днес за тъмната материя, която съставлява 95% от масата на Вселената? Почти нищо. Но все пак знаем нещо. На първо място, няма съмнение, че тъмната материя съществува - това неопровержимо се доказва от фактите, дадени по-горе. Също така знаем със сигурност, че тъмната материя съществува в няколко форми. След началото на 21 век, в резултат на дългогодишни наблюдения в експерименти СуперКамиоканде(Япония) и SNO (Канада) беше установено, че неутриното имат маса, стана ясно, че от 0,3% до 3% от 95% от скритата маса се намира в неутрино, които отдавна са ни познати - дори масата им да е изключително малко, но тяхното количество е във Вселената има около един милиард пъти повече от броя на нуклоните: всеки кубичен сантиметър съдържа средно 300 неутрино. Останалите 92-95% се състоят от две части – тъмна материя и тъмна енергия. Малка част от тъмната материя е обикновена барионна материя, изградена от нуклони; останалата част очевидно се дължи на някои неизвестни масивни слабо взаимодействащи частици (така наречената студена тъмна материя). Енергийният баланс в съвременната Вселена е представен в таблицата, а историята за последните три колони е по-долу.

Барионна тъмна материя

Малка (4-5%) част от тъмната материя е обикновена материя, която излъчва малко или никаква собствена радиация и следователно е невидима. Съществуването на няколко класа такива обекти може да се счита за експериментално потвърдено. Най-сложните експерименти, базирани на същата гравитационна леща, доведоха до откриването на така наречените масивни компактни хало обекти, тоест разположени в периферията на галактическите дискове. Това изисква наблюдение на милиони далечни галактики в продължение на няколко години. Когато тъмно, масивно тяло преминава между наблюдател и далечна галактика, неговата яркост за кратко намалява (или се увеличава, тъй като тъмното тяло действа като гравитационна леща). В резултат на усърдни издирвания такива събития са идентифицирани. Природата на масивните компактни хало обекти не е напълно ясна. Най-вероятно това са или охладени звезди (кафяви джуджета), или подобни на планети обекти, които не са свързани със звезди и пътуват из галактиката сами. Друг представител на барионната тъмна материя е горещ газ, открит наскоро в галактически клъстери с помощта на рентгенови астрономически методи, който не свети във видимия диапазон.

Небарионна тъмна материя

Основните кандидати за небарионна тъмна материя са така наречените WIMPs (съкращение от английски Слабо интерактивни масивни частици- слабо взаимодействащи масивни частици). Характеристика на WIMP е, че те почти не се проявяват при взаимодействие с обикновена материя. Ето защо те са истинската невидима тъмна материя и защо са изключително трудни за откриване. Масата на WIMP трябва да бъде поне десетки пъти по-голяма от масата на протона. Търсенето на WIMP е проведено в много експерименти през последните 20-30 години, но въпреки всички усилия, те все още не са открити.

Една идея е, че ако такива частици съществуват, тогава Земята, докато обикаля около Слънцето със Слънцето около галактическия център, трябва да лети през дъжд от WIMP. Въпреки факта, че WIMP е изключително слабо взаимодействаща частица, тя все още има много малка вероятност да взаимодейства с обикновен атом. В същото време в специални инсталации - много сложни и скъпи - може да се запише сигнал. Броят на тези сигнали трябва да се променя през годината, защото докато Земята се движи в орбита около Слънцето, тя променя скоростта и посоката си спрямо вятъра, който се състои от WIMP. Експерименталната група DAMA, работеща в италианската подземна лаборатория Гран Сасо, съобщава за наблюдавани годишни вариации в скоростта на преброяване на сигнала. Други групи обаче все още не са потвърдили тези резултати и въпросът по същество остава отворен.

Друг метод за търсене на WIMP се основава на предположението, че по време на милиарди години от своето съществуване различни астрономически обекти (Земята, Слънцето, центърът на нашата Галактика) трябва да уловят WIMP, които се натрупват в центъра на тези обекти и, унищожавайки взаимно, пораждат поток от неутрино. Опитите за откриване на излишен поток от неутрино от центъра на Земята към Слънцето и центъра на Галактиката бяха направени на подземни и подводни детектори за неутрино MACRO, LVD (лаборатория Гран Сасо), NT-200 (езерото Байкал, Русия), SuperKamiokande, AMANDA (Scott Station -Amundsen, Южен полюс), но все още не са довели до положителен резултат.

Експериментите за търсене на WIMP също се провеждат активно в ускорителите на частици. В съответствие с известното уравнение на Айнщайн E=mс 2 енергията е еквивалентна на масата. Следователно, чрез ускоряване на частица (например протон) до много висока енергия и сблъсък с друга частица, може да се очаква създаването на двойки други частици и античастици (включително WIMP), чиято обща маса е равна на общата енергия на сблъскалите се частици. Но експериментите с ускорител все още не са довели до положителен резултат.

Тъмна енергия

В началото на миналия век Алберт Айнщайн, желаейки да осигури независимост от времето на космологичния модел в общата теория на относителността, въвежда в уравненията на теорията т. нар. космологична константа, която обозначава с гръцката буква „ ламбда” - Λ. Това Λ беше чисто формална константа, в която самият Айнщайн не виждаше никакъв физически смисъл. След като беше открито разширяването на Вселената, необходимостта от него изчезна. Айнщайн много съжаляваше за прибързаността си и наричаше космологичната константа Λ най-голямата си научна грешка. Десетилетия по-късно обаче се оказа, че константата на Хъбъл, която определя скоростта на разширяване на Вселената, се променя с времето и нейната зависимост от времето може да се обясни чрез избиране на стойността на тази много „погрешна“ константа на Айнщайн Λ, която допринася към скритата плътност на Вселената. Тази част от скритата маса започва да се нарича „тъмна енергия“.

Дори по-малко може да се каже за тъмната енергия, отколкото за тъмната материя. Първо, тя е равномерно разпределена във Вселената, за разлика от обикновената материя и други форми на тъмна материя. Има толкова много от него в галактиките и галактическите купове, колкото и извън тях. Второ, той има няколко много странни свойства, които могат да бъдат разбрани само чрез анализиране на уравненията на теорията на относителността и тълкуване на техните решения. Например тъмната енергия изпитва антигравитация: поради нейното присъствие скоростта на разширяване на Вселената се увеличава. Тъмната енергия изглежда се отблъсква, ускорявайки разпръскването на обикновената материя, събрана в галактиките. Тъмната енергия също има отрицателно налягане, поради което в веществото възниква сила, която не му позволява да се разтяга.

Основният кандидат за тъмна енергия е вакуумът. Енергийната плътност на вакуума не се променя с разширяването на Вселената, което съответства на отрицателното налягане. Друг кандидат е хипотетично свръхслабо поле, наречено квинтесенция. Надеждите за изясняване природата на тъмната енергия се свързват преди всичко с нови астрономически наблюдения. Напредъкът в тази посока несъмнено ще донесе радикално нови знания на човечеството, тъй като във всеки случай тъмната енергия трябва да бъде напълно необичайна субстанция, напълно различна от това, с което физиката се е занимавала досега.

И така, 95% от нашия свят се състои от нещо, за което не знаем почти нищо. Човек може да има различно отношение към такъв факт, който не подлежи на съмнение. Може да предизвика безпокойство, което винаги съпътства среща с нещо непознато. Или разочарование, защото такъв дълъг и сложен път към изграждането на физическа теория, която описва свойствата на нашия свят, доведе до твърдението: по-голямата част от Вселената е скрита от нас и непозната за нас.

Но повечето физици сега се чувстват насърчени. Опитът показва, че всички загадки, които природата поставя пред човечеството, рано или късно биват разрешени. Несъмнено мистерията на тъмната материя също ще бъде разгадана. И това със сигурност ще донесе напълно нови знания и концепции, за които все още нямаме представа. И може би ще срещнем нови мистерии, които от своя страна също ще бъдат разгадани. Но това ще бъде съвсем различна история, която читателите на „Химия и живот” ще могат да прочетат едва няколко години по-късно. Или може би след няколко десетилетия.