Темна матерія і темна енергія у Всесвіті

Темна матерія і темна енергія у Всесвіті

Темна матерія і темна енергія у Всесвіті

Коли йдеться про значимість провідних наукових досягнень, важливо визначити, як вони віддзеркалюється у суспільній свідомості. Для цього, як мінімум, необхідно, щоб досягнення цього напрямку можна було викласти на рівні, доступному для широкого загалу. Революційні відкриття, які були зроблені в космології наприкінці минулого століття, цілком задовольняють цьому критерію. Їх наслідком стало впровадження у широкий науковий вжиток таких понять, як «темна матерія» і «темна енергія». Але, можливо, найбільш вражаючим для пересічної людини є висновок, що досі відомі форми матерії складають лише невелику частку усієї матерії у Всесвіті.

Висвітлення, пояснення гіпотез і шляхів розвитку перспектив понять «темна матерія» і «темна енергія» є метою нашого дослідження

Кінець ХХ століття ознаменований відкриттям нової фізичної сутності - темної енергії, яка «розпирає» простір між галактиками і спричиняє прискорене розширення Всесвіту. Її природа - невідома. Над її розгадкою працюють колективи вчених різних країн світу, формуються програми досліджень, будуються нові телескопи…

Важливим відкриттям є те, що галактики віддаляються одна від одної зі швидкістю, пропорційною відстані, - відомо давно. Уперше це явище виявив американський астрофізик Едвін Габбл ще у 1929 році. Слід сказати, що це відкриття не було цілковитою несподіванкою - за сім років до цього його передбачив російський математик Олександр Фрідман, застосувавши рівняння загальної теорії відносності Ейнштейна для опису однорідного ізотропного Всесвіту. Із його теоретичних робіт та експериментів Габбла випливало, що «розбігання» галактик є результатом Великого вибуху, який за розрахунками вчених стався 14 мільярдів років тому. Тут слід згадати й фундаментальне передбачення Георгія Гамова, вихідця з України, який 1948 року висунув ідею гарячого раннього Всесвіту, наслідком якого є всюдисуще реліктове мікрохвильове випромінювання. Експериментально воно було виявлене у 1965 році американцями Арно Пензіасом і Робертом Вілсоном, за що їх було удостоєно Нобелівської премії [1].

Але оскільки для звичайної речовини діє закон всесвітнього тяжіння (гравітація), то таке розширення має відбуватися із сповільненням: кінетична енергія розлітання галактик витрачається на «переборювання» сил гравітації (аналогічно до каменя, підкинутого вертикально вгору). Спроби визначити це сповільнення впродовж багатьох років були невдалими. Його значення дало б змогу встановити середню густину матерії, яка заповнює Всесвіт. Проблема полягала головним чином у тому, що для цього необхідно спостерігати дуже далекі галактики, блиск яких надто малий, тож виділити в них окремі джерела випромінювання - зорі, їх скупчення, газові туманності тощо - неможливо навіть із допомогою найпотужніших наземних телескопів. Крім того, світло від них іде до нас кілька мільярдів років, через що ми бачимо їх значно молодшими за нашу та сусідні галактики, а отже, джерела випромінювання в них відрізняються за своєю випромінювальною здатністю. Тобто до них не можна застосувати методи визначення відстані, які астрофізики застосовують до близьких галактик.

Ситуація змінилася із виведенням на навколоземну орбіту космічного телескопа ім. Габбла з діаметром головного дзеркала~2,4 м. Одне з головних завдань, заради якого створювався цей найдорожчий у світі телескоп, - дослідження далеких галактик з метою уточнення закону Габбла та визначення прискорення розширення Всесвіту.

Надновими називають зірки, які вибухають і деякий час світять як мільярди зірок, а отже, їх можна спостерігати в далеких галактиках. Такі події надзвичайно рідкісні - приблизно один спалах за 30 років на галактику. Серед них є особливий тип - наднові, які є стандартними джерелами свічення. Потужні джерела випромінювання з відомою світністю є надзвичайно цінними для астрономії - вони дають можливість за виміряним потоком енергії на Землі визначати відстань до них, а отже, й до далеких галактик, в яких вони знаходяться. З допомогою космічного телескопа імені Габбла, а також наземних телескопів у далеких галактиках на цей час виявили й детально дослідили трохи більше ніж півтори сотні наднових зірок цього типу. За встановленими відстанями до них та виміряними зміщеннями ліній у їх спектрах вдалося визначити зміну темпу розширення Всесвіту. Результати виявилися разючими: замість очікуваного сповільнення взаємним гравітаційним притяганням вони розбігаються із прискоренням - швидкість віддалення галактик із часом зростає!

У 1917 році Альберт Ейнштейн увів у рівняння загальної теорії відносності, отримані ним у 1916-му, сталу величину, яка проявляла себе як сила розштовхування, пропорційна відстані, що урівноважувала гравітаційне притягання звичайної матерії у космологічних масштабах. Її назвали космологічною сталою. Ейнштейн відмовився від космологічної сталої, сказавши, що її введення було найбільшим промахом у його житті [2]. Проте космологічна стала продовжувала «жити», і астрофізики не раз зверталися до неї.

Космологічна стала є незмінною в часі - її значення сьогодні таке саме, як і в момент Великого вибуху. Але якщо сьогодні густина темної енергії приблизно втричі більша за густину матерії, то на початку Великого вибуху вона була на 120 порядків менша. Тобто в ранню епоху еволюції Всесвіту, коли формувалися фізичні взаємодії, його густина енергії становила 0.000…1 (120 нулів перед одиницею) від густини енергії інших фізичних полів. Це дуже мала величина, практично нуль. Однак якби перед одиницею було 115 чи 100 нулів, то це призвело б до фатальних наслідків - Всесвіт почав би прискорено розширюватися ще до того, як утворилися галактики, зірки, планети і життя на них. Зростаючий темп розлітання не дав би їм сформуватися. У такому Всесвіті нічого б не було. Тому постає проблема пояснення такого точного налаштування значення космологічної сталої в ранньому Всесвіті. Імовірність випадкового налаштування практично дорівнює нулю, а задовільного іншого пояснення фізики поки не мають. Такою альтернативою є темна енергія (інколи її називають квінтесенцією - п’ятою сутністю), яка подібно до космологічної сталої зумовлює його прискорене розширення. Це - новий тип фізичного поля, яке однорідно заповнює наш Всесвіт і розпирає простір. Сьогодні його густина енергії переважає середню густину енергії всіх інших полів і частинок. Поле створює великий від’ємний тиск, що й зумовлює спостережуване прискорене розширення Всесвіту в космологічних масштабах (сила розштовхування пропорційна відстані між галактиками). У минулому його густина енергії могла бути близькою до густини енергії інших фізичних полів, або щезати цілком, залежно від моделі такого поля. Встановити його природу - на сьогодні чи не найзахопливіша задача фізики та астрономії.

Було проведено ряд незалежних відкриттів, серед яких найбільш переконливі дані отримано в космічному експерименті WMAP у 2003 та 2007 роках. На їхній основі побудовано детальну карту неба просторових неоднорідностей температури і густини речовини в ранню епоху еволюції Всесвіту. Зіставлення її із просторовим розподілом галактик у сучасну епоху вказує на те, що густина темної енергії переважає сумарну густину енергії всіх інших складників Всесвіту. Опубліковані цього року результати неперервних трирічних вимірювань просторових варіацій температури реліктового випромінювання телескопом WMAP стали найґрунтовнішим доказом існування темної енергії. Вони дають найточніше визначення її густини та параметра рівняння стану.

Є й інші спостережувані аргументи на її користь. Якщо їх усі скласти як частинки мозаїки в одне ціле, то отримаємо такий розподіл складників нашого Всесвіту: темна енергія - 74%, темна матерія - 22%, баріонна речовина - 4%.

Баріонна речовина - це всі хімічні елементи, які входять до складу зірок, планет, галактик та розсіяні в міжзоряному та міжгалактичному просторі. Одна з її важливих властивостей - участь в електромагнітній взаємодії: вона поглинає, випромінює та розсіює електромагнітне випромінювання. Завдяки саме цій властивості наш світ такий багатий різноманіттям проявів живої та неживої природи на Землі і в Космосі [3].

Діаграма розподілення матерії у Всесвіті

темний енергія галактика гравітаційний

Темна енергія і темна матерія пронизують нас, не завдаючи шкоди жодному атому нашого тіла. Своїм гравітаційним полем вони утримують галактики в скупченнях і зірки в галактиках від розпадання. Темна матерія не випромінює, не поглинає і не розсіює електромагнітного випромінювання. Її частинки мають малі теплові швидкості (холодна темна матерія), беруть участь тільки у гравітаційній взаємодії та, можливо, слабкій, як нейтрино. Неоднорідності темної матерії своїм гравітаційним полем стягували на себе баріонну речовину, у згустках якої сформувалися зірки, галактики, скупчення галактик. Які частинки є носіями темної матерії, поки невідомо. Теорія елементарних частинок пропонує цілий «зоопарк» гіпотетичних частинок - кандидатів у темну матерію. Необхідні ключові експерименти та астрофізичні тести для їх відбору. Над цим сьогодні активно працюють фізики та астрофізики всього світу [4].

Із темною енергією, яка домінує за густиною, ситуація складніша. Вона проявляє себе тільки на космологічних відстанях протилежним знаком гравітаційної дії. Це справді нова сутність, не подібна до всього того, із чим мали справу до цього часу фізики та астрономи в царині зір і галактик.

Література

1. Саган К. Космос / Карл Эдвард Саган. - Нью-Йорк: Random House, 1980. - 524 с.

2.      Шарпак Ж. Спогади вигнанця, фізика, громадянина світу / Жорж Шарпак. - Париж: Éditions Odile Jacob, 2014. - 200 с.

.        Dark matter voids in the SDSS galaxy survey [Електронний ресурс] / [L. Florent, J. Jens, P.M. Sutter та ін.] // number 03. - 2015. - Режим доступу до ресурсу: http://iopscience.iop.org/1475-7516/2015/03/047? fromSearchPage=true.

.        Жданов В.І. Темний, темний всесвіт [Електронний ресурс] / Валерій Іванович, Жданов. - 2013. - Режим доступу до ресурсу: http://ukrastro.org.ua/uaa/index.php? mod=pages&page=dark_universe.