Роль темной материи и темной энергии в формировании Вселенной и ее эволюции 

Вселенная  не только необычнее, чем мы воображаем, она необычнее, чем мы можем вообразить.

                                       Артур Блох

Роль, до конца еще не познанных современной наукой, темной материи (ТМ) и темной энергии (ТЭ) в формировании и эволюции нашей Вселенной настолько фундаментальна и многопланова, что представляется целесообразным оформить эту тему в виде отдельного раздела книги.

Некоторая информация этого раздела уже упоминалась в других главах, но повторение с целью большей наглядности и концентрации информации, выглядит вполне оправданным.

Без преувеличения можно сказать, что ТМ и ТЭ не только во многом определили прошлое нашей Вселенной, но и оказывают существенное влияние на ее настоящее, и будут в значительной степени решать ее судьбу в будущем. Поэтому изложение материала этой главы с соблюдением именно такой хронологии, -  абсолютно логично.

Прошлое

Темная материя принимала самое активное участие в формировании иерархической структуры Вселенной, а именно ее звезд и галактик.

Темная материя (вещество)  начала собираться в сгущения намного раньше, чем обычная  барионная. Это можно объяснить тем, что ТМ не взаимодействует с излучением, которое на протяжении 380 тыс. лет после Большого взрыва было неотделимо от барионной материи и буквально “связывало” его.  Таким образом, именно темная материя на начальных этапах оказалась более способной к структурированию.

За время с момента Большого взрыва до отделения барионного вещества от излучения, ТМ подготовила изначальную структуру (сгустки, уплотнения, нарушения однородности) для последующей концентрации обычного вещества. Из этого следует, что  возникавшие на ранней стадии Вселенной неоднородности распределения темного вещества привели к образованию первых протогалактик.

По­этому период до эпохи рекомбинации водорода можно считать периодом гравитационного доминирования темной материи.

Джон Хартнетт⁽¹⁾:

(1) Доктор Хартнетт – физик-экспериментатор, имеющий на своем счету многочисленные публикации и несколько значимых наград. 

В самом начале мы видим, как нити загадочного материала, названного космологами “темной материей”, расползаются подобно ветвям дерева через космическую пустоту. Спустя миллионы лет темная материя сгущается и образует зерна, из которых появляются первые галактики.

Многие исследователи считают, что в случае отсутствия либо недостаточной массы темного вещества, галактики вообще не смогли бы образоваться! 

Настоящее

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. Эти 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. Такие результаты свидетельствуют о наличии в галактике, а также далеко за пределами ее светящейся части некоей несветящейся, темной материи. Следовательно, темная материя выступает в роли регулятора скорости вращения галактических объектов вокруг центра галактики и определяет скорости и орбиты этого вращения.

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.

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.

В 1998-1999 годах международными группами астрономов был установлен факт того, что наша Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением.

Решающая роль в этом ускорении принадлежит темной энергии.

Будущее

 Большой разрыв - космологическая гипотеза будущего Вселенной, предсказывающая развал всей материи за конечное время. 

Правильность (или неправильность) этой теории напрямую зависит от природы и состояния темной энергии, а именно от ее параметра, равного отношению давления темной энергии к ее плотности (w).

Этот параметр может принимать значения, лежащие в пределах:

-1 < w  < -1/3 (для вакуума w = -1)

Если  {\displaystyle w}w примет значение < −1, то Вселенная будет ускоренно расширяться, и величина масштабного фактора станет равной бесконечности за конечное время.

Если суммарное количество темной  энергии  будет  возрастать  (при w < -1), то темп расширения Вселенной также будет все увеличиваться, что приведет к тому, что постепенно многие крупномасштабные структуры (например, галактики) выйдут за горизонт частиц и навсегда потеряют с нами гравитационную, электромагнитную и другие связи.

Приведенные выкладки абсолютно справедливы также и для теории Тепловой смерти или Большого замерзания Вселенной.