Блики Предназначения Glare of Destiny
Просто о сложном
Темная материя и темная энергия
Темной материей в астрономии, космологии и теоретической физике принято называть некую неопределенную форму материи, которая не только сама не испускает электромагнитного излучения, но и напрямую не взаимодействует с ним.
Такое свойство темной материи делает невозможным прямое наблюдение за ней. Даже сам вывод о ее существовании был сделан только по косвенным признакам и по гравитационным эффектам, которые темная материя создает.
Казалось бы, факт существования некоей гипотетической материи можно отнести к рядовой загадке Вселенной, которых и без этого имеется огромное множество. Однако это далеко не так.
Во-первых, темной материи во Вселенной не просто много. Ее очень много. Именно эта материя является преобладающей (Диаграмма 1). Из диаграммы видно, что Вселенная на 96% состоит из темной материи и темной энергии. Фактически все объекты Космоса погружены в эту материю, но ни один из космических объектов не состоит из нее.
Во-вторых, темная материя и энергия играют во Вселенной огромную роль. По сути это те формы, которые своими гравитационными воздействиями, обеспечивают ее существование и определяют ее будущее.
Темная материя способна собираться в “сгустки” и участвовать в гравитационных взаимодействиях. В этом смысле темная материя сродни обычному барионному веществу.
Темная материя присутствует не только в межгалактических пространствах. Она имеется и в самих галактиках.
Этот факт подтверждается исследованиями гравитационных полей в галактиках и их окрестностях. Исследования указывают на то, что по мере удаления от центра галактики скорости вращения (вокруг центра галактики) звезд, облаков пыли и газа не уменьшаются, следовательно, гравитационное поле не ослабевает (См. рисунок ниже). Такие результаты свидетельствуют о наличии в галактике, а также далеко за пределами ее светящейся части некоей несветящейся, темной материи. Темная материя образует гало галактики.
Гало галактики – это ее невидимая структура, основная часть ее сферического объема. При этом гало составляет главную долю массы галактики. Проведенные исследования указывают, что в гало может содержаться до 90% всей галактической массы.
Обычное барионное вещество стремится концентрироваться ближе к центру галактики, тем самым образуя ее диск. Темная масса распределяется более равномерно. Гало охватывает галактику огромной сферой. Такая структура показана на рисунке:
Наблюдаемый диск Млечного пути оказывается погруженным в более массивное сферическое гало темной материи. При этом светящаяся материя имеет массу около 9 x 1010 масс Солнца. Масса темной материи составляет от 6 x 1011 до 3 x 1012 масс Солнца.
Из чего же состоит темная материя(1)?
(1) Постановка вопроса о составляющих темной материи представляется некорректной, поскольку материя – субстанция непрерывная. Однако в данном случае будем считать эту фактическую неточность допустимой, поскольку природа темной материи определена лишь гипотетически и сама является допущением.
Физики и астрофизики рассматривают множество частиц-кандидатов на роль составляющих элементов темной материи. Это гравитино, аксионы, нейтралино, монополи Дирака и т.д. В качестве одного из наиболее вероятных кандидатов рассматривался нейтрино. Однако последние эксперименты доказали, что нейтрино имеет недостаточную массу для роли темной материи.
В настоящее время большинство ученых склоняется к мысли, что элементарную частицу темной материи еще только предстоит открыть в физическом эксперименте.
Темная энергия - гипотетическая энергия, которая однородно заполняет пространство Вселенной.
Темная энергия, имеет отрицательное давление, которое (теоретически) порождает отталкивание (антигравитацию). Эта энергия заставляет Вселенную расширяться, то есть делает ее открытой, и не позволяет сжаться под действием сил притяжения. В то же самое время гравитационная сила темной материи является некоторым связывающим элементом, позволяющим Вселенной существовать как единому целому. То есть темная энергия стремится Вселенную расширить, а гравитация темной материи стремится ее сжать. Поскольку в настоящее время Вселенная ускоренно расширяется, значит, силы темной энергии превосходят силы гравитации темной материи и обычного барионного вещества.
Плотность этой энергии, по всей видимости, не уменьшается (во времени) по мере расширения Вселенной(2), в отличие от материи и радиации. В то время как материя становится все менее плотной с увеличением объема Вселенной, а излучение смещается в сторону более длинных и энергетически менее насыщенных длин волн, темная энергия является энергией изначально присущей самому пространству. Когда возникает новое пространство, плотность энергии остается без изменений.
Это чрезвычайно важное свойство темной энергии, которое показывает, что при расширении Вселенной (увеличении ее объема), и сохранении постоянной плотности темной энергии, общее количество темной энергии постоянно увеличивается. Причем увеличивается ускоренно, так как Вселенная расширяется с ускорением!
На роль темной энергии во Вселенной претендует физический вакуум. Это предположение не лишено логики, однако оно не удовлетворяет многих физиков. Прежде всего потому, что плотность энергии вакуума слишком мала для того чтобы согласовать теорию с результатами наблюдений. Кроме того, в вакууме постоянно происходит процесс рождения и уничтожения элементарных частиц, в нем присутствуют конденсаты полей – по своей структуре он более похож на некую сложную среду, чем на абсолютную пустоту.
Собственно говоря, количество темной энергии и материи, а также их свойства, определяют весь характер существования и будущее Вселенной, от ее возможного сжатия и перехода в состояние, предшествующее Большому взрыву, до ее бесконечного расширения (теория Большого разрыва).
В заключение следует заметить, что перечисленные выше свойства темной материи и энергии являются предположительными, поскольку после многих лет изучения, современной науке известно о темной материи и энергии только то, что они существуют.