Тёмная материя и тёмная энергия
Материя, как мы знаем, состоит из атомов, звезд, галактик, планет, деревьев и даже камней. Эта материя составляет менее 5% нашей вселенной. Около 25% – это тёмная материя, 70% – тёмная энергия, и оба они невидимы. Это означает, что все, что мы видим, – это лишь малая часть реальной действительности. Но кроме их существования, ни у кого из нас нет ни малейшего намека на то, что такое тёмная материя и энергия, или как они функционируют. Итак, что мы о них знаем?
Тёмная материя
Тайне темной материи уже более 80 лет. Тёмная материя, как говорят, состоит из частиц, которые не поглощают, не отражают и не испускают свой собственный свет. Следовательно, их нельзя ни увидеть непосредственно, ни обнаружить с помощью электромагнитного излучения. И он существует в нашей Вселенной благодаря воздействию, которое он оказывает на объекты, которые мы можем видеть. Это также делает возможным существование галактик. При вычислении структуры Вселенной мы пришли к выводу, что в ней просто недостаточно нормальной материи. Гравитация видимой материи не настолько сильна, чтобы создать галактики и другие сложные структуры. Скорее всего, звезды рассеялись бы по всему пространству, а не по галактикам. Итак, вопрос, который возникает здесь, заключается в том, что еще находится внутри и вокруг них?
Одно из многих объяснений тёмной материи – это ее темнота, то есть она не в форме звезд и планет, которые мы видим. Во-вторых, это не тёмное облако обычной материи (материи, состоящей из частиц, называемых барионами). И это потому, что он испустил бы частицы, которые мы могли бы обнаружить. Тем не менее, есть еще несколько возможностей тёмной материи, которые осуществимы, поскольку барионная материя все еще могла бы составлять тёмную материю, если бы она была связана в коричневых карликах или в небольших плотных кусках тяжелых элементов. Эти возможности известны как массивные компактные объекты гало или “мачо”, которые состоят из нормальной материи (например, протонов, нейтронов и электронов). Но наиболее распространенная точка зрения заключается в том, что тёмная материя вовсе не барионная, а состоит из других, более экзотических частиц, таких как аксионы или слабовзаимодействующие массивные частицы. Тёмная материя также не является антиматерией, поскольку антиматерия имеет тенденцию производить уникальные гамма-лучи при аннигиляции с нормальной материей. И наконец, мы можем исключить большие черные дыры размером с галактику (которые считаются очень компактными объектами, которые сильно влияют на их окружение), основываясь на количестве гравитационных линз, которые мы видим. Таким образом, тёмная материя, вероятно, состоит из сложной экзотической частицы, которая не взаимодействует со светом и материей так, как мы ожидаем. В конце 1970-х годов Вера Рубин и Кент Форд объявили о результатах своих новаторских исследований далеких спиральных галактик. Внешние области каждой галактики, которую они наблюдали, вращались так быстро, что напрашивался один неизбежный вывод: Галактики заключены в протяженные “ореолы” темной материи.
В 1929 году Эдвард Хаббл исследовал, как длина волны света, испускаемого далекими галактиками, смещается к красному концу электромагнитного спектра, когда он путешествует в пространстве. Он также обнаружил, что более слабые, то есть гораздо более удаленные галактики показывают большую степень красного смещения, тогда как галактики, которые остаются ближе, не показывают большой степени красного смещения. Эдвард решил, что это связано с расширением Вселенной. В основном красное смещение возникает из-за растяжения длин волн света с расширением Вселенной. Последние открытия показали увеличение расширения Вселенной. А до этого было высказано предположение, что главным образом притяжение гравитации заставляет такое расширение либо замедляться, либо втягиваться и сжиматься в какой-то момент. Но мы знаем, что свойства пространства никогда не меняются, так как оно и новое пространство постоянно создается везде. И поскольку мы знаем, что галактики-это тесно связанные скопления, которые удерживаются вместе гравитацией, так что мы не можем испытать это расширение в нашей повседневной жизни. Однако мы можем видеть это каждый день вокруг нас. Где бы ни было пустое пространство во Вселенной, с каждой секундой его становится все больше. Итак, тёмная энергия-это энергия, присущая пустому пространству.
Тёмная энергия
Истинная природа тёмной энергии ставит в тупик даже самых умных астрофизиков мира. Большая его часть неизвестна, чем известна нам. Получается, что в грубом масштабе 68% Вселенной составляет тёмная энергия. И 27% состоит из тёмной материи, оставляя остальные 5%. И эти 5% вносят свой вклад в остальное все на земле. Одно из многих объяснений тёмной энергии состоит в том, что она является свойством пространства. Он может генерировать больше пространства и довольно активен. Еще в 1917 году Альберт Эйнштейн первым предположил, что пустое пространство-это всегда что-то, а не ничто. Пустое пространство состоит из большего количества энергии, чем все остальное во вселенной вместе взятое. Версия общей теории относительности гравитации Эйнштейна говорит нам о космологической постоянной, где мы изучаем “пустое пространство”, которое может обладать своей энергией. И эта энергия не будет обманываться, поскольку пространство расширяется, поскольку это свойство пространства. Космологическая постоянная не меняется со временем. Космологическая постоянная всегда представляет собой ненулевую энергию пустого пространства, энергию вакуума. Чем больше пространства существует, тем больше появляется энергии. И в результате чего расширение Вселенной увеличивается. Как ни странно, антигравитационный эффект не похож ни на что, что мы когда-либо видели. Постоянная плотность энергии вакуума-это то, что вызывает экспоненциальное расширение.
Одно из объяснений предполагает, что квантовая теория материи объясняет приобретение энергии пространством. Итак, концепция предполагает, что “пустое пространство” заполнено временными, виртуальными частицами, которые непрерывно формируются, а затем исчезают. Другое объяснение гласит, что тёмная энергия-это неизвестный вид динамического энергетического флюида, который заполняет все пространство, которое влияет на расширение Вселенной противоположным образом, чем материя и нормальная энергия. Последняя возможность состоит в том, что теория гравитации, данная Эйнштейном, не точна. Это не только повлияло бы на расширение Вселенной, но и вызвало бы изменения в поведении нормальной материи в галактиках и скоплениях галактик. Этот факт позволил бы решить, является ли решение проблемы темной энергии новой теорией гравитации или нет: мы могли бы наблюдать, как галактики собираются в кластеры. Таким образом, то, что необходимо решить между возможностями тёмной энергии, это:
- свойство пространства
- новая динамическая жидкость
- новая теория гравитации.
Теперь, когда мы видим, что расширение Вселенной ускоряется, добавление тёмной энергии в качестве космологической постоянной может точно объяснить, как пространство-время растягивается. Но это объяснение все еще оставляет ученых в неведении относительно того, почему странная сила существует в первую очередь.
Вывод
Ситуация с тёмной материей резко изменилась за последние несколько лет. Не так давно люди согласились с тем, что тёмная материя существует, но мало надеялись узнать, из чего она на самом деле состоит. Сейчас ведется активная работа по выявлению многих из лучших кандидатов.
Существует простая причина, по которой астрономы так интересуются тёмной материей. Масса Вселенной определяет ее судьбу. Вселенная начала расширяться в момент Большого Взрыва и продолжает расширяться до сих пор. Если бы видимая масса была всей массой во Вселенной, Вселенная расширялась бы вечно. Однако гравитация большого количества тёмной материи может остановить расширение и заставить Вселенную сжаться, что приведет к “Большому Сжатию”.
Недавние наблюдения далеких звездных взрывов, кажется, указывают на то, что большой хруст не в нашем будущем. По-видимому, происходит увеличение расширения Вселенной, вызванное таинственной “тёмной энергией”.
В заключение следует отметить, что это очень активное поле, и что примечательно, существует разумный шанс обнаружить природу тёмной материи в течение ближайших нескольких лет.
Ссылки:
- Dark Matter / Dark Energy– Quizlet
- Dark Matter – StarDate
- Dark Energy, Dark Matter – NASA Science
- Dark Matter and Dark Energy – National Geographic
