Первое открытие было сделано одним из самых блестящих физиков нашего времени — Роджером Пенроузом из Оксфордского университета. Он задался вопросом: а что предшествовало Большому взрыву, в результате которого согласно доминирующей теории образовались время, материя и пространство?
В результате проведенных исследований Пенроуз обнаружил доказательства существования другой вселенной, предшествовавшей нашей. И вообще, по мнению ученого, развитие мироздания происходит циклически: вселенные рождаются, умирают и вновь рождаются из своего же пепла, проживая периоды, которые физик назвал "эонами". Его теория позволяет объяснить, почему изначально Вселенная была очень упорядоченной, что позволило сформироваться очень сложным объектам.
Второе исследование, опубликованное в Nature, провели Кристиан Маринони и Эдлин Буцци, французские физики из Университета Прованса. Оно возвращает нас к давно забытой теории Альберта Эйнштейна о том, что наша Вселенная плоская. В свое время Эйнштейн отказался от нее, посчитав ошибочной. Однако именно такая форма Вселенной позволила объяснить существование "темной энергии" — главной движущей силы Вселенной. Французские исследователи доказали, что масса Вселенной на 74 процента состоит из этой энергии, которая ускоряет ее расширение.
Сегодня доминирует теория о том, что Вселенная возникла 13,7 млд лет назад из одной точки большой
плотности, которая в результате Большого взрыва в первые мгновения существования представляла собой "горячий суп" из не связанных в атомы свободных частиц. Температура этого "супа" составляла тысячи миллионов градусов (эти условия были недавно с успехом воспроизведены в Большом адронном коллайдере — LHC). Зародившись, Вселенная стала быстро расширяться и охлаждаться, частицы начали формировать первые простейшие атомы (водорода), а силы гравитации на протяжении долгого времени работали на то, чтобы объединить атомы в материю звезд и галактик.
Один из наиболее актуальных вопросов — вопрос о том, почему после Большого взрыва темп расширения Вселенной не только не замедлился, но увеличивается? В результате ученые пришли к выводу, что это в большой степени зависит от массы содержащегося в ней вещества. Если общая масса вещества Вселенной достаточна для того, чтобы сила гравитации (которая тем больше, чем больше масса) преодолела первичную центробежную силу Большого взрыва, тогда расширение Вселенной будет остановлено и даже может привести к ее свертыванию — коллапсу, который ученые называют Большим хрустом. Однако, если общая масса недостаточна, ничто не сможет остановить расширение Вселенной, она будет стремиться стать большой черной пустотой, где в конце концов погаснет последняя звезда.
Осталось измерить массу Вселенной, однако наука встретилась здесь со многими сюрпризами. Первый состоит в том, что обычное вещество, из которого состоят галактики, звезды и планеты и которое существует как свет и другое измеряемое излучение, составляет всего 5 процентов от всей массы Вселенной, что абсолютно недостаточно, чтобы затормозить ее разбег. Другие 25 процентов соответствуют другому "типу материи", который не может напрямую быть обнаружен нашими приборами, поскольку ничего излучает. Эта материя известна под именем "темная". Мы знаем, где она находится (так называемые "черные дыры"), потому что можем измерить изменения гравитации, но никто никогда не смог "увидеть" ее. Можно лишь строить предположения насчет того, из каких частиц она может состоять.
Действительно, а какими свойствами должны обладать эти частицы? Совершенно очевидно, они не должны распадаться на другие, более легкие, иначе им давно пришлось бы распасться за все время существования Вселенной. Сам этот факт свидетельствует о том, что в природе действует новый, не открытый пока закон сохранения, запрещающий этим частицам распадаться. Аналогия здесь с законом сохранения электрического заряда: электрон — это легчайшая частица с электрическим зарядом, и именно поэтому он не распадается на более легкие частицы (например, нейтрино и фотоны).
Далее, частицы темной материи чрезвычайно слабо взаимодействуют с нашим веществом, иначе они были бы уже обнаружены в земных экспериментах. Собственно говоря, на этом знания ученых об этих интересных частицах заканчиваются и начинается непаханое поле догадок и предположений.
Итак, с темной материей, составляющей те самые 25 процентов, хоть что-то понятно. Но что же представляют собой остальные 70 процентов? Ученые не в состоянии пока дать определенного ответа на этот вопрос и используют термин "темная энергия". Однако про нее известно еще меньше, чем про темную материю.
Самое необычное во всем этом то, что темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию. Именно благодаря этому расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. Такая картина, вообще говоря, не противоречит общей теории относительности, однако для этого темная энергия должна обладать специальным свойством — отрицательным давлением. Это резко отличает ее от обычных форм материи. Не будет преувеличением сказать, что природа темной энергии — главная загадка фундаментальной физики XXI века. Хотя один кандидат на эту роль уже имеется — обычный, известный всем вакуум. Правда, его природа также до сих пор остается весьма загадочной.
Именно эта сила предположительно определяет увеличение скорости разбега Вселенной. Именно эту темную энергию исследовали Пенроуз и ученые из Франции. Пенроуз проанализировал данные, полученные со спутника WMAP (который измерял микроволновое излучение, пронизывающее всю Вселенную и являющееся следом Большого взрыва). Он обнаружил структуры распределения в виде концентрических кругов, которые можно объяснить как следы существования других вселенных (наложение старого излучения на новое). Это означает, что наша Вселенная одна в череде многих и придет время, когда она умрет и возродится в результате нового Большого взрыва. Перед "смертью" Вселенная станет "гладкой и линейной".
Этот вывод подтверждают Буцци и Маринони, которые доказали, измеряя искажения света, идущего от 500 пар галактик, что мы живем в плоской вселенной, а не изогнутой или сферической, как многие думали. Отталкиваясь от постулата, что геометрические измерения можно использовать для определения состава Вселенной, ученые изучили распределение взаимной ориентации пар галактик, обращающихся друг вокруг друга. Во Вселенной без темной энергии это распределение было бы сферически симметричным, то есть количество пар, ориентированных в любом из направлений, было бы одинаковым.
Наблюдения показали, что на самом деле чем дальше от Земли находятся пары галактик, тем более асимметричным было распределение их ориентации, — больше пар было расположено вдоль луча обзора от Земли. Кроме того, если бы Вселенная была сферической или изогнутой, то мы видели бы изображение галактик деформированным, как если бы смотрелись в металлический мяч и видели там свое искаженное лицо. В плоском пространстве искажений нет, что и было отмечено.
Что такое темная материя или скрытая масса? А темная энергия?
Скры́тая ма́сса (в космологии и астрофизике также тёмная материя, тёмное вещество) — общее название совокупности астрономических объектов, недоступных прямым наблюдениям современными средствами астрономии (то есть не испускающих электромагнитного или нейтринного излучения достаточной для наблюдений интенсивности), но наблюдаемых косвенно по гравитационным эффектам, оказываемым на видимые объекты.
Общая проблема скрытой массы состоит из двух проблем:
* астрофизической, то есть противоречия наблюдаемой массы гравитационно связанных объектов и их систем, таких, как галактики и их скопления, с их наблюдаемыми параметрами, определяемыми гравитационными эффектами;
* космологической — противоречия наблюдаемых космологических параметров полученной по астрофизическим данным средней плотности Вселенной.
Природа и состав скрытой массы
Кроме прямых наблюдений гравитационных эффектов скрытой массы существует ряд объектов, прямое наблюдение которых затруднено, но которые могут вносить вклад в состав скрытой массы. В настоящее время рассматриваются объекты барионной и небарионной природы: если к первым относятся достаточно хорошо известные астрономические объекты, то в качестве кандидатов во вторые рассматриваются нейтрино, страпельки и гипотетические элементарные частицы, следующие из классической квантовой хромодинамики (аксионы) и суперсимметричных расширений квантовых теорий поля.
Для объяснения отклонения скоростей вращений галактических объектов от кеплеровских следует предположить наличие массивного тёмного гало галактик. К массивным объектам гало галактик относятся слабоизлучающие компактные объекты, в первую очередь маломассивные звёзды — коричневые карлики, субзвёзды или очень массивные юпитероподобные планеты, масса которых недостаточна для инициирования термоядерных реакций в их недрах, остывшие белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры.
Что же это?
Что же мы знаем сегодня о темной материи, составляющей 95% массы Вселенной? Почти ничего. Но что-то всё же знаем. Прежде всего, нет никаких сомнений в том, что темная материя существует — об этом неопровержимо свидетельствуют факты, приведенные выше. А еще нам доподлинно известно, что темная материя существует в нескольких формах. После того как к началу XXI века в результате многолетних наблюдений в экспериментах SuperKamiokande (Япония) и SNO (Канада) было установлено, что у нейтрино масса есть, стало ясно, что от 0,3% до 3% из 95% скрытой массы заключается в давно знакомых нам нейтрино — пусть масса их чрезвычайно мала, но количество во Вселенной примерно в миллиард раз превышает количество нуклонов: в каждом кубическом сантиметре содержится в среднем 300 нейтрино. Оставшиеся 92–95% состоят из двух частей — темной материи и темной энергии. Незначительную долю темной материи составляет обычное барионное вещество, построенное из нуклонов, за остаток отвечают, по-видимому, какие-то неизвестные массивные слабовзаимодействующие частицы (так называемая холодная темная материя).
Барионная темная материя
Небольшая (4–5%) часть темной материи — это обычное вещество, которое не испускает или почти не испускает собственного излучения и поэтому невидимо. Существование нескольких классов таких объектов можно считать экспериментально подтвержденным. Сложнейшие эксперименты, основанные всё на том же гравитационном линзировании, привели к открытию так называемых массивных компактных галообъектов, то есть расположенных на периферии галактических дисков. Для этого потребовалось следить за миллионами удаленных галактик в течение нескольких лет. Когда темное массивное тело проходит между наблюдателем и далекой галактикой, ее яркость на короткое время уменьшается (или увеличивается, поскольку темное тело выступает в роли гравитационной линзы). В результате кропотливых поисков такие события были выявлены. Природа массивных компактных галообъектов ясна не до конца. Скорее всего, это либо остывшие звезды (коричневые карлики), либо планетоподобные объекты, не связанные со звездами и путешествующие по галактике сами по себе. Еще один представитель барионной темной материи — недавно обнаруженный в галактических скоплениях методами рентгеновской астрономии горячий газ, который не светится в видимом диапазоне.
Небарионная темная материя
В качестве главных кандидатов на небарионную темную материю выступают так называемые WIMP (сокращение от английского Weakly Interactive Massive Particles — слабовзаимодействующие массивные частицы). Особенность WIMP состоит в том, что они почти никак не проявляют себя во взаимодействии с обычным веществом. Именно поэтому они и есть самая настоящая невидимая темная материя, и именно поэтому их чрезвычайно сложно обнаружить. Масса WIMP должна быть как минимум в десятки раз больше массы протона. Поиски WIMP ведутся во многих экспериментах в течение последних 20–30 лет, но, несмотря на все усилия, они до сих пор обнаружены не были
Одна из идей состоит в том, что если такие частицы существуют, то Земля в своем движении вместе с Солнцем по орбите вокруг центра Галактики должна лететь сквозь дождь, состоящий из WIMP. Несмотря на то что WIMP представляет собой чрезвычайно слабо взаимодействующую частицу, какая-то очень малая вероятность провзаимодействовать с обычным атомом у нее всё же есть. При этом в специальных установках — очень сложных и дорогостоящих — может быть зарегистрирован сигнал. Количество таких сигналов должно меняться в течение года, поскольку, двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля меняет свою скорость и направление движения относительно ветра, состоящего из WIMP. Экспериментальная группа DAMA, работающая в итальянской подземной лаборатории Гран-Сассо, сообщает о наблюдаемых годичных вариациях скорости счета сигналов. Однако другие группы пока не подтверждают этих результатов, и вопрос, по существу, остается открытым.
Другой метод поиска WIMP основан на предположении о том, что в течение миллиардов лет своего существования различные астрономические объекты (Земля, Солнце, центр нашей Галактики) должны захватывать WIMP, которые накапливаются в центре этих объектов, и, аннигилируя друг с другом, рождать поток нейтрино. Попытки детектирования избыточного нейтринного потока из центра Земли в направлении к Солнцу и к центру Галактики были предприняты на подземных и подводных нейтринных детекторах MACRO, LVD (лаборатория Гран-Сассо), NT-200 (озеро Байкал, Россия), SuperKamiokande, AMANDA (станция Скотт-Амундсен, Южный полюс), но пока не привели к положительному результату.
Эксперименты по поиску WIMP активно проводят также на ускорителях элементарных частиц. В соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна Е=mс2, энергия эквивалентна массе. Следовательно, ускорив частицу (например, протон) до очень высокой энергии и столкнув ее с другой частицей, можно ожидать рождения пар других частиц и античастиц (в том числе WIMP), суммарная масса которых равна суммарной энергии сталкивающихся частиц. Но и ускорительные эксперименты пока не привели к положительному результату.
Темная энергия
О темной энергии можно сказать еще меньше, чем о темной материи. Во-первых, она равномерно распределена по Вселенной, в отличие от обычного вещества и других форм темной материи. В галактиках и скоплениях галактик ее столько же, сколько вне их. Во-вторых, она обладает несколькими весьма странными свойствами, понять которые можно, лишь анализируя уравнения теории относительности и интерпретируя их решения. Например, темная энергия испытывает антигравитацию: за счет ее присутствия темп расширения Вселенной растет. Темная энергия как бы расталкивает саму себя, ускоряя при этом и разбегание обычной материи, собранной в галактиках. А еще темная энергия обладает отрицательным давлением, благодаря которому в веществе возникает сила, препятствующая его растяжению.
Главный кандидат на роль темной энергии — вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, что и соответствует отрицательному давлению. Еще один кандидат — гипотетическое сверхслабое поле, получившее название квинтэссенция. Надежды на прояснение природы темной энергии связывают прежде всего с новыми астрономическими наблюдениями. Продвижение в этом направлении, несомненно, принесет человечеству радикально новые знания, поскольку в любом случае темная энергия должна представлять собой совершенно необычную субстанцию, абсолютно непохожую на то, с чем имела дело физика до сих пор.
Итак, наш мир на 95% состоит из чего-то, о чем мы почти ничего не знаем. Можно по-разному относиться к такому не подлежащему никакому сомнению факту. Он может вызывать тревогу, которая всегда сопутствует встрече с чем-то неизвестным. Или огорчение, оттого что такой долгий и сложный путь построения физической теории, описывающей свойства нашего мира, привел к констатации: большая часть Вселенной скрыта от нас и неизвестна нам.
0
Спам
