Что такое темная материя и темная энергия?
Существующие во Вселенной тела и их системы астрономы обнаруживают в основном по излучению. Это может быть видимый свет или другие виды электромагнитных волн. Однако не от всех космических объектов можно принять излучение. Астрономические наблюдения однозначно свидетельствуют о существовании во Вселенной большого количества невидимой (темной) материи (скрытой массы). Например, с Земли нельзя рассмотреть массивные, но очень маленькие компоненты двойных систем, а черные дыры в принципе не выпускают из своего гравитационного поля никакого излучения.
Измерения показывают, что темной материи в несколько раз больше обычного вещества. Современная теория строения и взаимодействия элементарных частиц (Стандартная модель) подтверждается множеством экспериментов. Но она может описать лишь около 4,9 % существующего вещества — обычной, барионной материи. Про оставшиеся 95,1 % мы знаем лишь то, что эта форма материи-энергии не испускает и не поглощает электромагнитное излучение (что делает невозможным ее прямое наблюдение) и взаимодействует с обычным веществом лишь гравитационно. Примеры такого воздействия — аномально высокие скорости вращения внешних областей галактик, слишком сильный эффект гравитационного линзирования от скоплений. Кроме того, без темной материи трудно объяснить то, что ничтожные возмущения плотности, существовавшие после Большого взрыва, доросли до образования галактик, звезд, планет и т. д.
Практически вся масса барионного вещества сосредоточена в протонах (85 %) и нейтронах (15 %). Это яркие звезды, межзвездные пыль и газ, молекулярные облака, звездные «остатки», планеты и т. д. Небарионное вещество состоит из темной энергии (72 %) и темной материи (28 %).
С конца 1990-х гг. разными методами установлено, что кроме скрытой массы во Вселенной, по-видимому, существует совершенно необычная форма материи, получившая название темная энергия.
Темную энергию ввели в математическую модель Вселенной для того, чтобы объяснить возникший парадокс: согласно традиционной теории тяготения обычное гравитационное поле должно замедлять расширение Вселенной, а многочисленные наблюдения показывают, что далекие объекты удаляются от нас с ускорением.
Ускоренное расширение Вселенной было открыто в 1998 г. при наблюдении за звездами, испытавшими катастрофический взрыв (сверхновыми). Считается, что Вселенная начала расширяться с ускорением около 5 млрд лет назад, а до этого ее расширение замедлялось из-за гравитационного действия темной и обычной материи. Ускоренное расширение Вселенной оказалось возможно объяснить лишь наличием некоторого поля с отрицательным давлением, плотность энергии в котором остается постоянной с увеличением объема. Эта необычная энергия проявляет себя в виде способности «отталкиваться» от обычной материи — антигравитации.
Более того, плотность темной энергии в несколько раз превосходит плотность энергии остальной материи (включая скрытую массу), что выражается в ускоренном расширении Вселенной в течение последних нескольких миллиардов лет. Этот поразительный факт ускоренного расширения и был обнаружен при наблюдении далеких термоядерных сверхновых (типа 1а), которые для данного красного смещения оказались более слабыми по сравнению с ожидаемым значением (напомним, что термоядерные сверхновые — это своего рода «маяки Вселенной» с почти постоянной мощностью в максимуме блеска).
Частицы темной материи ищут и на Земле, и в космосе. Легкие частицы, движущиеся с околосветовыми скоростями, могут составлять не более 10 % от всей темной материи. Это горячая темная материя. Более вероятной на сегодняшний день считается гипотеза холодной темной материи — массивных (в сотни и тысячи раз тяжелее протона), нерелятивистских, очень слабо взаимодействующих друг с другом и с обычной материей частиц, не испускающих и не поглощающих фотоны. Экспериментально такие частицы пока не обнаружены, но перспективный кандидат на звание темной материи — одна из слабовзаимодействующих частиц аксион.
Если темная материя состоит из неизвестных массивных слабовзаимодействующих элементарных частиц, то что такое темная энергия — полная тайна, над решением которой работают современные ученые. Добавим также, что ответ на вопрос о будущем расширении Вселенной зависит от пока совсем неясных свойств темной энергии. Все говорит о том, что расширение, вероятно, и дальше будет продолжаться с ускорением, но конечная судьба Вселенной до сих пор не ясна. Решающую роль в ее установлении должны сыграть точные измерения темпа ускорения Вселенной.