Темное вещество (материя)

Что‑то, что может сбиваться в Галактики, но чего мы не видим, не светится. Примерно 4–5% – это «нормальная» материя. Темная материя проявляется только благодаря создаваемому ей тяготению, и именно по своему гравитационному эффекту она и была впервые обнаружена (точнее, заподозрено ее существование) еще в 1930e г.г. Ф. Цвикки, который изучал кинематику и динамику богатого скопления галактик в созвездии Кома (или Волосы Вероники). Галактики в этом скоплении движутся со скоростями около тысячи километров в секунду, и при таких скоростях удержать их в наблюдаемом объеме скопления можно лишь при условии, что полная масса скопления раз в десять больше суммарной массы составляющих его галактик. Анализ ротационных кривых галактик по современным данными наблюдений со спутника ROSAT показывает, что космическая плотность барионною вещества (средняя по всему наблюдаемому объему мира) на порядок меньше величины меньше плотности тёмного вещества.

Темное вещество не излучает ни света, ни других электромагнитных волн, и вообще практически не взаимодействует с электромагнитным излучением. В нашей галактике тёмного вещества приблизительно в 10 раз больше, чем светящегося вещества звезд. Оно образует обширную невидимую корону, или гало, вокруг звездною диска Млечною Пути. Подобные темные гало имеются, по-видимому, у всех достаточно массивных изолированных галактик. Темное вещество содержится также в группах галактик и в самых ­больших космических системах ­ скоплениях и сверхскоплениях галактик. Как и в нашей Галактики, темное вещество составляет до 90 %, а иногда и более, полной массы всех этих систем. По данным экспериментов СОВЕ и WMAP, возможный спектр флуктуаций плотности реликтового излучения может быть объяснен наличием смешанного состава темной материи (например, 30 % горячей и 70 % холодной Холодная скрытая масса Метагалактики, или как чаще в последнее время говорят, темное вещество является нерелятивистской, холодной средой, давление которой много меньше плотности ее энергии. Важность проблемы тёмного вещества очевидна, но не менее очевидна и ее чрезвычайная сложность. До сих пор неизвестна физическая природа носителей темного вещества; обсуждается очень широкий диапазон возможностей ­ от элементарных частиц (то, что называется небарионной темной материей, так как должно состоять не из обычного вещества ­ барионов вместе с соответствующим количеством электронов) до барионной темной материи ­ несветящихся масс обычного вещества. Кроме того, имеется несколько альтернатив ­ в частности, ненулевое значение космологической постоянной А может производить тот же эффект, что и равномерно распределенная темная материя, однако, судя по всему, известные скопления темной материи распределены как раз неравномерно, поэтому ненулевое значение А должно быть ответственным за другие формы космологической энергии. Существуют совсем экзотические гипотезы, например. включающие в себя изменение гравитационной постоянной в зависимости от времени.

Барионная темная материя состоит из таких «обычных» объектов, которые ненаблюдаемые либо вследствие их малой температуры (планеты, коричневые карлики. черные дыры и т. д.), либо вследствие больших расстояний до них вместе с их малой светимостью (белые карлики, очень удаленные галактики с очень низкой поверхностной яркостью, холодные водородные облака и т.д.).

Есть и более катастрофический сценарий. Если темная энергия, расширяющая Вселенную, окажется так называемой фантомной материей, у которой очень большое отрицательное давление, то Вселенную просто разорвет. Причем произойдет это очень быстро — за конечное время. Если темная энергия — физическое поле, которое заполняет все пространство, оно будет потихоньку уменьшаться, а Вселенная будет потихоньку расширяться. А потом — раз! — и это поле выгорит. И тогда во Вселенной образуется совсем новая физика с абсолютно новыми масштабами. Та Вселенная будет очень холодной, очень большой, и в ней будет все очень медленно двигаться и жить. Если там образуется какая-то новая жизнь, то она будет воспринимать этот фазовый переход как свой собственный Большой взрыв. А наши небесные тела будут ей казаться какими-то ужасными реликтами эпохи ранней Вселенной, от которых лучше держаться подальше.

Если темная энергия, расширяющая Вселенную, окажется так называемой фантомной материей, у которой очень большое отрицательное давление, то Вселенную просто разорвет.

Остался лишь один вопрос: если Вселенная — это физический объект, то значит ли это, что она одна? Да нет, конечно. Сама постановка вопроса говорит, что замкнутых трехмерных шариков, из которых нельзя выпрыгнуть, может быть очень много. Есть одно наводящее соображение, говорящее в пользу этой теории: наша Вселенная удивительно хорошо подогнана под существование человека. Это так называемый антропный принцип — косвенное свидетельство того, что вселенных, скорее всего, много и они разные. Возвращаясь к теории инфляции: возникает вопрос — а откуда взялось множество вселенных? Оказывается, инфляция не может закончиться образованием одной Вселенной. Квантово-механический эффект. Поле не может сразу все уменьшиться и выгореть — где-то обязательно останутся кусочки. Зрительно это можно себе представить как бесконечно, безудержно пузырящуюся пену, где каждый пузырь — новая Вселенная. Вселенные могут быть связаны друг с другом так называемыми кротовыми норами, перемычками, которые могут испаряться, а могут и оставаться. Некоторые черные дыры могут быть кротовыми норами, ведущими в другую Вселенную, но в пределах нашего горизонта нет, скорее всего, ни одной. А почему вселенные разные? А вот здесь твердого ответа нет. Зато есть теория струн, на которую люди возлагают очень много надежд. Она сама по себе очень интересная: теория струн в принципе позволяет перестраивать вакуум. Вначале был вопрос: Вселенная четырехмерная или одиннадцатимерная? И многие ответили, что одиннадцатимерная. Теория струн требует именно этого параметра от Вселенной. Все измерения скрутились в тоненькие трубочки, они могли это сделать огромным количеством способов, и каждый такой способ дает разную физику и разные Вселенные, в одну из которых мы с вами попали. В чем проблема теории струн? Она не может делать значимых предсказаний — невозможно указать, в каком из вакуумов мы сидим. Был огромный энтузиазм в 1980-х годах, что вот-вот мы определим массу электрона, массу кварка и все остальное. А оказалось, что все эти состояния зависят от вакуумов. И теория струн пока что зависла в состоянии, когда ее невозможно ни подтвердить, ни опровергнуть. Останется ли она абстракцией или объяснит мир — этого никто не знает.

­ космологическая постоянная

Как уже было отмечено выше, космологическая постоянная появилась в качестве эмпирического параметра теории, так как ­­без этого слагаемого уравнения Эйнштейна не могли описать статичную Вселенную: ее существование не вытекало из каких-либо фундаментальных физических принципов, а численное значение постоянной подлежало экспериментальному, наблюдательному определению и измерению. И сам вопрос о ее существовании (т. е. о том, отлична ли она вообще от нуля) должен решаться экспериментальным, наблюдательным путем. Априорное представление о статичности Метагалактики, как мы знаем, не подтвердилось в наблюдениях. Метагалактика находится в состоянии эволюции, она расширяется. Сама же по себе гипотеза Эйнштейна о существовании в природе антитяготения нашла подтверждение в прямых астрономических наблюдениях. Именно антитяготение и только оно одно способно заставить галактики разбегаться с ускорением. Это ускоренное расширение Метагалактики и удалось обнаружить в недавних наблюдениях сверхновых звезд. Так было доказано, что космологическая постоянная не равна нулю. Было измерено и ее численное значение. Метагалактика находится в состоянии эволюции, она расширяется и вопрос о значении космологической постоянной долгое время оставался без внимания, так как общепринятыми стали нестационарные модели. В современных теориях вакууму не обязательно соответствует состояние с нулевой энергией, что видно даже из модели раздувающейся Вселенной, предполагающей отличное от нуля значение космологической. Следовательно, должно проводиться сопоставление экспериментальных данных с предсказаниями теоретических моделей, предполагающих различные значения , а сама космологическая постоянная должна быть связана с плотностью энергии вакуума. Таким образом, в значение космологической постоянной должны давать вклад все слагаемые, которые дают вклад в энергию вакуума, а также слагаемые, обусловленные другими (в том числе и не известными в данный момент времени) взаимодействиями: значение собственно космологической постоянной (статическая часть, эквивалентная введенной Эйнштейном); . квантовые флуктуации энергии вакуума; . дополнительные вклады от гипотетических и еще не известных форм материи (энергии) и взаимодействий. Положительное значение космологической постоянной в космологических моделях приводит к ускорению процесса расширения, а отрицательное ­ к его замедлению.