Темна енергія і темна матерія
Космос і зоряне небо, до яких століттями спрямовують свої погляди романтики, мрійники і шукачі істини, вражають уяву своїми масштабами і красою. Зараз, живучи в XXI столітті, нам приємно думати, що тепер-то, на відміну від наших предків, ми знаємо про еволюцію Всесвіту багато. Ми вже зуміли озброїтися потужними телескопами і спостерігаємо за космосом онлайн, будуємо ракети, людина зробила перший крок на Місяці, навіть є фото чорної діри. Ми вважаємо, що ми щось знаємо, і ми помиляємося.
Те, що бачить людина, становить всього лише 5% від загального космічного простору. Тут і всі відомі нам найближчі планети, і міріади зірок, що збираються в знайомі і незнайомі нам сузір`я. В темну ясну ніч нам здається, що небо над нами заповнене вщерть, вільне місце там якщо і є, то його не так багато...
І тим не менш ця заповненість – всього лише ті самі 5%. Уявляєте, що до сих пір залишається за гранню нашого розуміння і сприйняття? Про те, що не видно нашому оку і поки що не видно нашим приладам, залишається тільки припускати. І, за припущеннями вчених, інша частина космосу складається з своєрідного «матеріалу», який можна розділити на дві складові: темної енергії (близько 75%) і темної матерії (близько 20%). Особливість полягає в тому, що ми не можемо розглядати цей «матеріал Всесвіту» ні під яким кутом. Він «темний» не тому, що чорного кольору, а тому, що до цих пір залишається сліпою плямою, лише припущенням, і ніхто насправді не знає, що це таке.
Вікіпедія обережно повідомляє, що пряме спостереження темної матерії «ускладнює і, можливо, навіть унеможливлює» той факт, що вона не випускає електромагнітного випромінювання.
Давайте ненадовго звернемося до історії астрономічних відкриттів. Звідки взагалі стало відомо хоча б про гіпотетичне існування в космосі іншої матерії відмінної від нашої, яку нам вдається бачити?
Вчені активно вивчають космічний простір досить давно, і саме в ході таких досліджень в 30-х роках минулого століття було виявлено, що галактики всередині скупчень (зокрема всередині самого відомого скупчення під назвою Волосся Вероніки) обертаються з величезною швидкістю – куди більшою, ніж та, яка повинна бути, якщо спиратися на припущення про сумарну масу скупчення. Помітивши цю невідповідність, вчені зробили цілком логічний висновок, що, ймовірно, скупчення Волосся Вероніки насправді значно важче, ніж передбачалося раніше. Отже, існує незвіданий простір, який присутній в космосі, але з якихось причин залишається невидимим.
Свій внесок внесла і теорія відносності, згідно з якою маса впливає на навколишній простір, деформуючи його і спотворюючи світлові промені (за таким принципом працює, наприклад, всім нам відома лінза). Спотворення, яке створюється галактиками, дійсно величезне – і це грає вченим на руку, оскільки по ньому стає можливим виміряти розподіл речовини і його масу. Спостерігаючи за галактиками і застосувавши до них висновки теорії відносності, вчені зробили друге припущення, що маса завжди значно більша, ніж простір спотворень. Це, в свою чергу, підтверджує припущення про існування іншого матеріалу, який не контактує з електромагнітним випромінюванням.
У 70-х роках XX століття вивчення космічного простору тривало. Зокрема, вчені досліджували швидкість обертання галактичної речовини, розташованої на віддалі від центру Всесвіту. Передбачалося, що швидкість обертання об`єктів при русі від центру до периферії, відповідно до закону всесвітнього тяжіння, має пропорційно зменшуватися, проте експерименти показали абсолютно інший результат: навіть на віддалі від «ядра» швидкість обертання речовини відрізняється незначно. На підставі цього вчені припустили, що щільність речовини при русі до периферії все-таки відрізняється несуттєво, хоча раніше, виходячи з даних про видимі матерії, при русі до краю щільність зменшувалася. Логічно, що подібне могло відбуватися тільки в тому випадку, якщо до існуючої маси додавалася маса «чогось». Згодом це таємнича речовина і отримало назву dark matter, або «темна матерія».
Що таке темна матерія і як вона пов`язана з гравітацією
З чого складається темна матерія в різних галактиках і з якої причини ускладнено її виявлення? На сьогоднішній день вченим вже вдалося вивчити баріонну матерію в нашому Всесвіті. Як випливає з назви, вона складається з баріонів – тобто нейтронів і протонів. Однак досліджувати одну лише баріонну речовину недостатньо для того, щоб зрозуміти загальний космічний простір. Як мінімум тому, що ця матерія не володіє такою вже сильною гравітацією, щоб, наприклад, всім нам відомий Чумацький Шлях не розлетівся на шматки. Видимий космічний простір створює тільки 10% гравітаційного поля, і оскільки Чумацький Шлях обертається з дуже високою швидкістю, цих відсотків катастрофічно мало для того, щоб утримати планети і зірки на своїх орбітах.
Своїм існуванням галактики і надскупчення зобов`язані саме темній матерії, яка, не створюючи електромагнітного випромінювання і не контактуючи з ним безпосередньо, невидима для погляду дослідника. Зараз відомо лише, що сконцентрована матерія викривляє світло, яке в неї входить, і повинна мати наступні характеристики: бути холодною, повільною і важкою – інакше матерія не могла б гравітаційно «тримати» в єдиному просторі цілі галактики.
Також відомо, що темна речовина існує в двох формах: темної матерії, яка, в свою чергу, ділиться на «гарячу», «холодну» і «теплу», і темної енергії. Частково в темної матерії присутня і баріонна речовина, однак інший простір займають ще невідомі і не відкриті частинки, що не контактують зі світлом, – цю частину прийнято називати холодною темною матерією. Ще близько 0, 3-3% складають нейтрино – частинки, які рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Саме хмари нейтрино називають гарячою темною матерією. Таким чином, вся космічна матерія може бути представлена приблизно наступним чином:
- Видиме речовина – 5%.
- Нейтрино – 0, 3-3%.
- Баріонна темна матерія – 4-5%.
- Небаріонна темна матерія – 20-25%.
- Темна енергія – 70-75%.
Отже, приблизно 90-95% Всесвіту люди поки не вивчили.
Основні кандидати на повноправне включення до складу 20-25% космічного простору, які складає небаріонна темна матерія, це так звані WIMP (Weakly Interactive Massive Particles), або слабовзаємодіючі частки, які ніяким чином не впливають на звичайну речовину. Їх неможливо побачити і разом з цим – неможливо оцінити їх вплив на навколишній простір. Маса цих частинок, швидше за все, в кілька разів більша за масу протонів, проте ця здогадка досі не підтверджена.
Експерименти з пошуку WIMP і всілякі дослідження в цьому напрямку активно ведуться ось уже майже 30 років, але поки що не дали підтверджених результатів крім припущень і гіпотез. Так, звучить досить песимістично. І тим не менше спроби дослідити WIMP до сих пір не залишені, тому що навіть невелика ймовірність того, що при тих чи інших умовах ці частинки все ж будуть взаємодіяти із звичайною речовиною, вже достатня підстава для того, щоб продовжити експерименти і наукові дослідження. Наша планета, обертаючись навколо Сонця, регулярно проходить крізь цілий «дощ» WIMP-частинок, тобто вони, невидимі, є буквально всюди. І саме тому впродовж багатьох років вчені продовжують спостерігати за космосом, припускаючи, що «сигнали» взаємодії повинні змінюватися, в тому числі і в залежності від руху нашої планети. Адже, переміщаючись по орбіті, в різний час вона потрапляє під цей «дощ» під різним кутом, через що змінюються і передбачувані точки взаємодії WIMP зі звичайним протоном. Точніше, так повинно бути в теорії, оскільки вивчають небаріонну темну матерію дослідницькі групи, як ми вже сказали, поки що не зафіксували жодних відчутних результатів.
За іншою версією, планети протягом мільярдів років свого існування повинні концентрувати в собі WIMP, а потім створювати потік нейтрино від планет до центру галактики – в нашому випадку до Сонця. Спираючись на це припущення, відразу кілька дослідницьких груп вчених також намагаються виявити надлишкові викиди нейтрино, проте питань, як і раніше, більше, ніж відповідей.
Темна енергія
Якщо коротко, в поняття «темна енергія» входять ті 70-75% речовини в космічному просторі, які так само, як і темна матерія, як і раніше залишаються загадкою для сучасних учених. У космології це різновид космічної енергії з негативним тиском, яку також можна співвіднести з терміном «екзотична матерія». До неї відноситься будь-яка речовина (як правило, невідома), що порушує одне або кілька класичних умов елементарних частинок фізики. Термін був введений в спробі пояснити прискорення розширення Всесвіту – найдивовижнішої відкриття XX століття. Ще в 1929 році астрофізики виявили, що Всесвіт постійно рухається і розширюється, і до 1998 року стало відомо, що він не просто розширюється, а й набирає швидкість. Причиною цього прискорення сучасні вчені вважають темну енергію – незвідане речовина, «двигун і бензин космосу», що впливає на космічний простір і змушує його розтягуватися і збільшуватися. Звідки взяли саме 70-75%? З теоретичних припущень. Раніше вважалося, що космічний простір лише на 30% складається з баріонів і темної матерії. Цього числа було досить для того, щоб Всесвіт утворював форму диска, тобто був плоским. Однак новітні спостереження показали, що в космосі має місце кривизна простору і часу, так що 30% темної матерії недостатньо – її має бути як мінімум 70% від загального складу Всесвіту.
У 2016 році Адаму Ріссу – американському астрофізику, в 2011 році вручено Нобелівську премію за «Відкриття прискореного розширення Всесвіту за допомогою спостереження далеких наднових», – разом зі своїми колегами вченому вдалося визначити швидкість розширення Всесвіту. В ході експериментів було виявлено, що є розбіжності в даних про швидкість, з якою рухаються одна від одної дві галактики, розташовані на відстані 3 мільйонів світлових років. Адам Рісс назвав число 73 км/с, в той час як дослідження минулого, засновані на гороскопах і картографії зіркових тіл, фіксували цей показник на рівні 69 км/с. Розбіжність у цифрах змусило вчених висунути відразу два припущення: або вимірювання космологів чи телескопів були помилковими, або темна енергія якимось чином (звичайно ж, яким саме – напевно невідомо) вплинула на Всесвіт, внаслідок чого змінилася і швидкість її розширення.
Щоб підтвердити або спростувати свої здогадки, вчені продовжили дослідження з більш дорогим і точним обладнанням, прийшовши в кінцевому підсумку до цифри 73, 56 км/с, що стало підставою повірити в те, що швидкості розширення «сучасного» і «давнього» Всесвіту істотно розрізняються . Адам Рісс зазначає, що ймовірність помилки становить 0, 01% – і цього достатньо, щоб вважати, що Всесвіт не тільки розширюється, але і продовжує набирати швидкість.
З якої причини це відбувається і який склад темної енергії, нам до сих пір точно не відомо, однак існує три версії того, що таке темна енергія.
- Найпростіша визначає її як космологічну сталу, яка залишається незмінною і наповнює собою весь простір космосу. Як постійна вона присутня в незмінній формі в будь-якій окремій взятій масі. Інша назва – енергія вакууму, позначають «лямбда», використовуючи грецьку літеру для позначення темної енергії в загальній теорії відносності.
- Друга теорія абсолютно зворотна, згідно з нею темна матерія – це квінтесенція космосу, деяке поле, яке постійні змінюється в просторі і часі. Це альтернативний варіант опису темної енергії, який був висунутий в кінці XX століття астрофізиком Крістофом Веттеріхом. Виходячи з цієї концепції, Всесвіт розширюється трохи повільніше, ніж в рамках теорії про постійну сталу.
- Нарешті, третя теорія для скептиків – темної енергії насправді не існує, це всього лише ще невивчені властивості старої доброї гравітації, яка на настільки далекій відстані просто діє трохи інакше.
Ні перша, ні друга, ні третя версії поки що не доведені. Проте всі отримані до 2019 року дані про склад Всесвіту, а їх, як відомо, не так вже й багато, не суперечать першій концепції, тому на поточний момент в колах вчених її прийнято вважати основною. Щоб астрофізики змогли остаточно і напевно вибрати одну з трьох версій, потрібні ретельно опрацьовані експерименти і суттєві докази, яких поки що немає.
Цікаво, що ранні дані дослідження Всесвіту припускали, що вона не прискорюється, а, навпаки, сповільнюється. Помилка у визначенні властивості руху Всесвіту була пов`язана з ідеєю, що невидима частина космічного простору складається виключно з темної матерії, тому відкриття темної енергії, можна сказати, змішала всі карти тодішнім астрофізикам. Існування темної енергії, яким би не був її склад, відповідає на питання про невидиму масу, яка наповнює космічний простір, так само в тій же мірі, як і теорія нуклеосинтеза Великого вибуху пояснює наявність легких хімічних елементів (гелію, дейтерію і літію) в нових галактиках, а теорія великомасштабної структури Всесвіту пояснює появу зірок, квазарів і галактичних скупчень.
Що далі?
Прискорене розширення Всесвіту, за словами вчених, почалося приблизно 5 мільярдів років тому. Раніше прискорення було уповільненим через вплив темної і баріонної матерій, однак зараз, у Всесвіті, щільність баріонів матерії зменшується в рази швидше, ніж щільність темної матерії. Тобто, якщо масу Всесвіту збільшити в два рази, щільність баріонів матерії пропорційно зменшиться в 2 рази, а щільність темної матерії залишиться практично незмінною. В кінцевому рахунку це призведе до переважання темної матерії, що спричинить за собою прямий її вплив на простір по одних лише їй відомих законах.
Крім цього деякі галактики приблизно підуть за рамки нашого надскупчення, тобто стануть абсолютно невидимими через те, що перевищать швидкість світла. Хоча відносну швидкість галактик, звичайно, досить важко розрахувати, враховуючи присутнє викривлення простору і часу, точність якого поки що не встигли вивчити.
Ще через деякий час наше надскупчення буде піддано станом теплової смерті, яке було спрогнозовано в рамках теорії про переважання темної матерії в існуючій моделі Всесвіту. Є й інша, ще більш цікава теорія, згідно з якою через невизначену кількість часу Всесвіт просто «розповзеться», а розширююча дію темної енергії стане настільки сильною, що зруйнує будь-які гравітаційні зв`язку між об`єктами, а потім розірве і атоми. До чого це призведе? До Великого розриву – концепції, яка передбачає смерть Всесвіту. Зворотна (і також ймовірна, оскільки обидві ідеї лише теорії) сторона цієї гіпотези – це Велике стиснення, яке відбудеться внаслідок розсіювання або зміни властивостей темної енергії, що в кінцевому підсумку призведе до чергового Великого вибуху. Дана теорія широко вітається і підтримується адептами циклічності історії, в тому числі і історії Всесвіту.
Незважаючи на поки безрезультатні експерименти, вчені, як і раніше, продовжують битися (і навряд чи припинять це робити в найближчому майбутньому) над вирішенням найголовнішої загадки космології, астрономії та теоретичної фізики – існуванням темної матерії і темної енергії, на яких утримується більшість космічного простору. Різних теорій щодо їх властивостей, складу і впливу безліч, від повсюдно прийнятих в колах вчених до самих божевільних, при цьому жодна з них на даному етапі розвитку людського знання і технологій не може бути повністю правильною або неправильною. Хочемо ми цього чи ні, але в реальності ми як і раніше вкрай мало знаємо про те, що оточує нас за межами рідної планети. Все, що є у вчених, – це різні гіпотези і приблизні орієнтири, спираючись на які можна рухатися в своїх дослідженнях. Але і вони в майбутньому можуть виявитися абсолютно помилковими. Або допоможуть зробити прорив воістину вселенського масштабу.