Закрыть код Показать результат Скрыть результат
Загадки тёмной материи
(The Mysrery Of Dark Matter)
в Прокате c : 01.01.2012
Загадки тёмной материи
(The Mysrery Of Dark Matter)
в Прокате c : 01.01.2012
Всех нас учили в школе что вселенная состоит из атомов. На самом деле атомы составляют только 5% материи во вселенной, остальное для нас пока загадка. В космосе есть что-то еще, другая реальность, которую мы только начинаем открывать для себя. Мы знаем, что это не атомы, но не знаем что это. Почему астрофизики убеждены в существовании этой загадочной невидимой материи? Потому что без темной материи галактики бы не вращались - не хватало бы гравитационных сил, чтобы звезды галактик вращались с той скоростью, с какой они вращаются сегодня. В поведении и движении галактик есть некие аномалии, чтобы их понять, ученые предполагают существование невидимой материи, участвующей в движении галактик.
Мария Сапрыкина
ЗАГАДКА ТЕМНОЙ МАТЕРИИ
Невидимую материю, т.е. не излучающую и не поглощающую свет, астрофизики называют темной и обнаруживают по создаваемой ею гравитации. Она присутствует везде - от галактических масштабов до сверхскоплений галактик. По массе ее гораздо больше, чем видимой материи, но что она представляет собой на самом деле - загадка. Вероятно, это еще не открытые элементарные частицы или маломассивные черные дыры и гипотетические кротовые норы. Об этом рассказал в своей английской статье член астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (Москва) и Международной академии им. Нильса Бора (Копенгаген, Дания), член-корреспондент РАН Игорь Новиков. Перевод сделан членом-корреспондентом РАН Виктором Абалакиным и опубликован в журнале «Земля и Вселенная».
Итак, природа темной материи - одна из главных загадок современной космологии. У открытия и исследования данного феномена довольно долгая история. Уже на протяжении 85 лет специалисты увлечены данной темой. Ныне же эта проблема - основная во всей астрофизике.
Еще 30 и даже 20 лет назад астрономы полагали: масса темной материи, преобладающей во Вселенной, определяет ее динамику и кривизну трехмерного пространства. Но сегодня нам известно гораздо больше. Наблюдение в пределах измерений температуры анизотропии в космическом микроволновом фоновом излучении (а оно появилось сразу же после рождения Вселенной и несет важную информацию об ее эволюции), данные о степени распространения гелия и других легких элементов и образовании структуры Вселенной указывают: обычная материя (барионная - барионные (тяжелые) элементарные частицы с массой не меньше, чем у протонов, участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях)) ответственна приблизительно за 4% материального содержания космоса. Получается, звезды, планеты, газ, пыль и мы сами состоим из нее, а остальные 96% - это «темный» сектор с приблизительно 23% темной материи и примерно 73% темной энергии. Известно: рассматриваемая материя вызывает эффект гравитационного притяжения, как и обычная, а темная энергия, наоборот, - гравитационное отталкивание. Последняя реально преобладает во Вселенной, хотя о ее физической природе специалисты пока ничего не знают.
Темная материя оказывает гравитационное влияние на распространение света от удаленных источников (так называемое гравитационное линзирование). Важная доля информации также поступает из анализа космического микроволнового фонового излучения и процесса образования структуры Вселенной из малых начальных неоднородностей. А ведь именно интересующая нас сила гравитации темной материи необходима для формирования галактических скоплений и галактик. Большинство космологов, констатирует Новиков, развивает идею о типе темной материи, называемой холодной. Многие из них убеждены: она состоит из частиц, образовавшихся в раннем, горячем периоде эволюции Вселенной, однако еще существующих и в наше время. Список же элементов, которые могут входить в них, весьма обширен: это, в основном, гипотетические частицы - скажем, аксионы или суперсимметричные реликты. Ныне запущены эксперименты по прямому и косвенному их поиску. В результате вполне возможно и прямое нахождение темной материи, но, по мнению автора статьи, физическая природа ее остается тайной.
Между тем, помимо пока неизвестных науке частиц, интересных для физиков, существуют и другие объекты, из которых может состоять темная материя. Некоторые из них сами по себе удивительны - и, кстати, не менее важны для развития науки: это релятивистские темные тела (первичные черные дыры и кротовые норы).
Гипотеза о существовании первичных черных дыр также имеет весьма долгую историю. Благодаря исследованиям, проведенным отечественными учеными академиком Яковом Зельдовичем и Игорем Новиковым в 1961 г., а в 1971 г. английским физиком-теоретиком Стивеном Хокингом, можно сделать вывод: на ранних стадиях во Вселенной (около 13 млрд лет назад) существовали крошечные черные дыры, их массы могли быть меньше, чем у звезд. Расчеты показывают: те из них, чьи начальные массы были менее миллиарда тонн, к настоящему времени полностью потеряли энергию из-за квантового излучения; более тяжелые сохранились до наших дней.
Главный вопрос - можно ли обнаружить их астрономическими средствами, если они реально существуют во Вселенной? Чтобы найти малые черные дыры, необходимо знать излучение их жестких квантов. Наблюдение последних существенно способствовало бы отождествлению первичных черных дыр, но до сегодняшнего дня ни одна из них не обнаружена. Установлено лишь следующее: число черных дыр с массой около миллиарда тонн не превышает одной тысячи на кубический световой год. Если бы их было больше, то существовала бы возможность вычислить их суммарное излучение. Квантовое же излучение массивных первичных черных дыр незначительно, поэтому их можно включить в число объектов, входящих в темную материю. В 1994 г. отечественные астрофизики Павел Иванов, Павел Насельский и Игорь Новиков, работавшие в датском Центре теоретической астрофизики, указали на эту перспективу. Одновременно появилось сообщение, что обнаружено микролинзирование звезд в Большом Магеллановом Облаке массивными компактными гало-объектами нашей Галактики. Среди прочих была выдвинута и такая идея: подобными объектами могли быть черные дыры. Новое открытие добавило аргументы в пользу теории о том, что холодная темная материя состоит из первичных черных дыр.
Впрочем, подчеркивает автор статьи, не стоит забывать и о первичных кротовых норах. Согласно общей теории относительности, это сильно искривленное пространство в виде тоннеля, соединяющего два входа в него. Материя или излучение, попадая в одну из дыр, рассеиваются по всему объему тоннеля и соответственно выходят наружу уже из другой дыры. Или наоборот. По одной из гипотез, эти первичные норы, скорее всего, существовали в начале расширения Вселенной. И могли сохраниться в дальнейшем. Отметим: квантовое испарение (так называемое хокинговское) не влияет на такие объекты, поэтому они сохраняются в течение космологических промежутков времени, если не подвергаются иным неустойчивостям. Исходя из этого, нельзя исключить: некоторая часть холодной темной материи состоит и из кротовых нор.
Итак, делает вывод Новиков, темные объекты - первичные темные дыры и кротовые норы - могут разрешить загадку темной материи. Но насколько удачными (или неудачными) являются выдвинутые концепции, будет ясно, лишь когда станут известны результаты наблюдений по изучению холодной темной материи с помощью, в первую очередь, космической обсерватории «Планк», запущенной 14 мая 2009 г. в рамках Европейского космического агентства Horizon-2000 и названной в честь выдающегося немецкого физика Макса Планка (1858-1947).
Новиков И. Темные объекты и темная материя. - Журнал «Земля и Вселенная» , 2009, № 5
Иллюстрации редакции журнала «Земля и Вселенная»
Материал подготовила Мария САПРЫКИНА
«Наука в России», № 1, 2010
Рано или поздно наш мир прекратит свое существование. Точно так же, как когда-то он появился из одной-единственной частицы размером меньше атома. В этом у ученых уже давно нет никаких сомнений. Однако если раньше господствовавшей являлась теория, согласно которой гибель Вселенной наступит в результате её стремительно набирающего скорость расширения и, как следствие, - неминуемой «тепловой смерти», то с открытием темной материи это мнение поменялось.
ТЕМНЫЕ СИЛЫ ВСЕЛЕННОЙ
Специалисты говорят, что весь необъятный космос может погибнуть в результате его свертывания, засосавшись в некую гигантскую черную дыру, являющуюся частью таинственной «темной материи».
В холодных глубинах космоса от сотворения мира враждуют две непримиримые силы - темная энергия и темная материя. Если первая обеспечивает разбегание Вселенной, то вторая, напротив, стремится втянуть ее внутрь себя, сжать до небытия. Противостояние это идет с переменным успехом. Победа одной из сил над другой, нарушение космического равновесия одинаково гибельно для всего сущего.
Еще Эйнштейн предположил, что в космосе находится гораздо больше материи, чем мы можем увидеть. В истории науки встречались ситуации, когда движение небесных тел не подчинялось законам небесной механики. Как правило, это загадочное отклонение от траектории находило объяснение в существовании неизвестного материального тела (или нескольких тел). Именно так были открыты планета Нептун и звезда Сириус В.
КОСМИЧЕСКИЕ СКРЕПЫ
В 1922 году астрономы Джеймс Джиме и Якобус Каптейн исследовали движение звезд в нашей Галактике и пришли к выводу, что большая часть вещества в Галактике невидима; в этих работах впервые появился термин «темная материя» (англ. dark matter), однако он не вполне соответствует нынешнему смыслу этого понятия.
Астрономам уже давно известен феномен ускоряющегося расширения Вселенной. Наблюдая за удалением галактик друг от друга, они установили, что скорость эта все увеличивается. Энергия, которая распирает космос во все стороны, подобно воздуху в надувном шарике, была названа «темной». Энергия эта отодвигает галактики друг от друга, она действует против силы гравитации.
Но, как выяснилось, силы ее не безграничны. Существует и некий космический «клей», удерживающий галактики от расползания. И масса этого «клея» значительно превышает массу видимой Вселенной. Эта огромная, неизвестного происхождения сила была названа темной материей. Несмотря на угрожающее название, последняя не является абсолютным злом. Все дело в хрупком равновесии космических сил, на котором держится существование нашего, казалось бы, незыблемого мира.
Вывод о существовании таинственной материи, которую не видно, не регистрирует ни один из приборов, но существование которой можно считать доказанным, был сделан на основе нарушения гравитационных законов Вселенной. По крайней мере в том виде, как мы их знаем. Было замечено, что звезды в спиральных галактиках, подобных нашей, имеют довольно высокую скорость обращения и по всем законам при таком быстром движении они должны бы просто вылетать в межгалактическое пространство под действием центробежной силы, но они не делают этого. Их удерживает некая сильнейшая гравитационная сила, которая не регистрируется и не улавливается никакими известными современной науке способами. Это заставило ученых задуматься.
ВЕЧНАЯ БОРЬБА
Если бы не существовало этих неуловимых, но превосходящих по силе гравитации все видимые космические объекты темных «скреп», то через некоторое продолжительное время скорость расширения Вселенной под действием темной энергии приблизилась бы к пределу, в котором произойдет разрыв пространственно-временного континуума. Пространство аннигилирует, и Вселенная прекратит свое существование. Однако пока этого не происходит.
Астрофизики выяснили, что около 7 миллиардов лет назад гравитация (преобладающей частью которой является темная материя) и темная энергия находились в равновесии. Но Вселенная расширялась, плотность уменьшалась, сила темной энергии увеличивалась. С тех пор она доминирует в нашей Вселенной. Теперь ученые пытаются понять, закончится ли когда-нибудь этот процесс.
На сегодняшний день уже известно, что Вселенная состоит всего на 4,9% из обычного вещества - барионной материи, из которой состоит наш мир. Большая часть (74%) всей Вселенной приходится на загадочную темную энергию, а 26,8% массы во Вселенной приходится на неподвластные физическим законам, трудно обнаруживаемые частицы, названные темной материей.
Пока что в непримиримой извечной борьбе темной материи с темной энергией побеждает последняя. Они похожи на двух борцов разных весовых категорий. Но это не значит, что схватка предрешена. Галактики продолжат разбегаться. Но долго ли будет протекать этот процесс? Согласно последней гипотезе, темная материя - это лишь одно из проявлений физики черных дыр.
ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ — СГУСТКИ ТЕМНОЙ МАТЕРИИ?
Черные дыры - это самые массивные и мощные объекты в известной нам Вселенной. Они настолько сильно искривляют пространство-время, что даже свет не может покинуть их пределы. Поэтому, так же как и темную материю, мы их не можем видеть. Черные дыры являются своего рода центрами притяжения огромных пространств космоса. Можно предположить, что это структурированная темная материя. Ярким примером этого являются сверхмассивные черные дыры, которые живут в центре галактик. Глядя на центр, к примеру, нашей Галактики, мы видим, как ускоряются звезды вокруг него.
Энн Мартин из Корнелльского университета отмечает, что единственное, что объяснит это ускорение, это сверхмассивная черная дыра. О существовании темной материи, так же как и черных дыр, мы можем судить лишь на основе их взаимодействия с окружающими объектами. Поэтому мы наблюдаем ее эффекты в движении галактик и звезд, но не видим ее напрямую; она не излучает и не поглощает свет. Логично предположить, что черные дыры являются лишь сгустками темной материи.
Может ли одна из гигантских черных дыр, которая со временем проглотит не только окружающий космос, но и своих менее мощных «дырчатых» сородичей, поглотить всю Вселенную? Вопрос об этом остается открытым. Согласно оценкам ученых, если это и произойдет, то не раньше чем через 22 млрд лет. Так что на наш век хватит. А пока что окружающий мир продолжает свое плавание между Сциллой темной энергии и Харибдой темной материи. Судьба Вселенной будет зависеть от исхода борьбы между этими двумя господствующими в космосе силами.
ПРОРОЧЕСТВО ТЕСЛЫ
Существует, однако, и альтернативный взгляд на проблему темной материи. Определенные параллели можно найти между таинственной субстанцией и теорией вселенского эфира Николы Теслы. Согласно Эйнштейну, эфир не является реальной категорией, а существует как результат ошибочных научных воззрений. Для Теслы эфир - реальность.
Несколько лет назад на уличной распродаже в Нью-Йорке один любитель антиквариата купил себе истершийся от времени пожарный шлем. Внутри него, под подкладкой, лежала старая тетрадь. Тетрадь была тонкой, с обгоревшей обложкой, от нее пахло плесенью. Пожелтевшие от времени листы были исписаны выцветшими от времени чернилами. Как выяснилось, рукопись принадлежала известному изобретателю Николе Тесле, жившему и работавшему в США. В записи разъясняется теория эфира, в которой можно найти несомненные указания на открытую десятилетия спустя после его смерти неуловимую темную материю.
«Что представляет из себя эфир, и почему его так трудно обнаружить? - пишет изобретатель в манускрипте. - Я долго думал над этим вопросом и вот к каким выводам пришел. Известно, что чем плотнее вещество, тем выше скорость распространения в нем волн. Сравнивая скорость звука в воздухе со скоростью света, я пришел к выводу, что плотность эфира в несколько тысяч раз больше плотности воздуха. Но эфир электрически нейтрален и поэтому он очень слабо взаимодействует с нашим материальным миром, к тому же плотность вещества материального мира ничтожна по сравнению с плотностью эфира».
По мнению ученого, это не эфир бесплотен - это наш материальный мир является бесплотным для эфира. Таким образом, он предлагает куда более позитивный взгляд на темную материю, видя в ней некое первовещество, колыбель Вселенной. Но не только. По мнению Теслы, при умелом подходе из темной материи эфира можно получать неиссякаемые источники энергии, проникать в параллельные миры и даже устанавливать контакты с разумными обитателями других галактик. «Я думаю, что звезды, планеты и весь наш мир возникли из эфира, когда по каким-то причинам часть его стала менее плотной. Сжимая наш мир со всех сторон, эфир пытается вернуться в первоначальное состояние, а внутренний электрический заряд в веществе материального мира препятствует этому. Со временем, потеряв внутренний электрический заряд, наш мир будет сжат эфиром и превратится в эфир. Из эфира вышел эфир и уйдет», - утверждал Тесла.
Среди других астрономических наук космология стоит особняком. Это одна из древнейших наук. Достаточно вспомнить написанную на эту тему «Теогонию" Гесиода (VIII-VII века до н. э.). Космология изучает Вселенную в целом и относится к группе естественных наук. Современное научное обоснование она получила только в начале ХХ века - с появлением общей теории относительности (ОТО).Коль скоро в основе космологии лежит теория относительности, то все эксперименты по проверке ее истинности вносят свою лепту и в обоснование космологии. Однако, имея своей основой теорию относительности, космология к ней не сводится и, таким образом, имеет собственную наблюдательную базу.
Вплоть до начала 90-х годов ХХ века наблюдательная база космологии развивалась в традиционных для всей астрономии рамках. Вводились в строй все более крупные телескопы, расширялся волновой диапазон наблюдений. Предметом исследования долгое время оставались только галактики и связанные с ними явления, например, квазары. Качественно новая эра в развитии космологии началась в 1992 году с открытием так называемого реликтового излучения (появившегося, как предполагают в момент "большого взрыва"), которое содержит информацию о многих параметрах и процессах во Вселенной. Ценность данных, получаемых при исследовании реликтового излучения, имеет большое значение еще и потому, что она несет информацию об очень ранней стадии расширения Вселенной, когда еще не существовало никаких галактик.
Классическая космология в том виде, в каком она существовала во времена Эйнштейна и Фридмана, допускала любые значения плотности Вселенной - как больше, так и меньше критического значения. Критическим значение плотности названо не случайно. Только при этом (критическом) значении пространственная кривизна Вселенной равняются нулю и основной ее параметр – барион, то есть то, из чего состоит вещество, оказывается не зависимым от времени. К достижениям в изучении Вселенной последнего десятилетия относится, в первую очередь, изменение представлений о плотности Вселенной: получены данные, что полная плотность Вселенной с высокой точностью равна критическому значению.
Это, не стало неожиданностью - большинство теоретиков рассматривало ее как наиболее вероятную еще с начала 1980-х годов, когда была предложена общепринятая ныне концепция космологической инфляции - модели очень быстрого расширения Вселенной на ранней стадии ее эволюции.
С инфляцией в экономике сталкивались все, и мало кто может сказать, что это положительное явление. С космологической инфляцией все обстоит наоборот - она успешно решила почти все проблемы классической космологии и существенно понизила актуальность двух-трех оставшихся.
То, что обычное вещество не оказывает практически никакого влияния на динамику расширения Вселенной, давно и твердо установленный факт. Еще в середине 1970-х годов исследование процессов в расширяющейся Вселенной - главным образом, процессов образования ядер дейтерия, лития, изотопов гелия с атомным весом 3 и 4 - показало, что количество образующихся ядер зависит от полного числа барионов.
Таким образом, окончательную точку в решении проблемы темной материи, взаимодействующей с барионами только гравитационно и поставили недавние исследования реликтового излучения, которые определили плотность темной материи с высокой точностью. Однако вопрос ее физической природы до сих пор остается открытым, так как экспериментально ни один вид таких частиц до сих пор не был зарегистрирован.
Вторая проблема - это сама физическая природа космологической постоянной: эквивалентна ли она той, которую ввел Эйнштейн, или это что-то иное. Доминирование во Вселенной космологической постоянной радикальным образом отражается на ее эволюции - такая Вселенная расширяется с ускорением и имеет больший возраст (со всеми вытекающими отсюда последствиями), чем Вселенная, в которой эта постоянная равна нулю.
С теоретической точки зрения наличие космологической постоянной пока не имеет серьезных или, по крайней мере, общепринятых обоснований. Скорее ее можно назвать "лишней" величиной, но наши представления о Вселенной не изменились бы кардинальным образом, если бы оказалось, что на самом деле космологическая постоянная равна нулю (или так мала, что не может быть определена при существующем уровне техники). Однако космология, как и все естественные науки, строится на фундаменте наблюдательных данных, и эти данные свидетельствуют в пользу ее значительной величины.
Мы живем в мире, динамикой расширения которого управляет неизвестная нам форма материи. Единственное, что мы достоверно знаем о ней - это факт ее существования и уравнение ее состояния вакуумоподобного типа. Нам неизвестно, изменяется ли уравнение состояния темной энергии со временем и если изменяется, то как. Это значит, что все рассуждения о будущем Вселенной по сути спекулятивны и основаны на эстетических воззрениях их авторов.
По материалам журнала «Наука и жизнь»
Оригинал статьи находится на сайте NewsInfo
на журнал "Человек без границ"
