Гравитационная паутина Вселенной: загадка темной материи и темной энергии

Задумывались ли вы когда-нибудь над тем, что мир, который мы видим и с которым физически можем взаимодействовать, это лишь небольшая вершина айсберга от общего содержимого Вселенной? Вся видимая материя, звездные скопления, галактики, планетарные и звездные туманности, и даже мы с вами — все это составляет лишь около 5% от всего наполнения Вселенной. Остальные 95% представляют собой своеобразную низменность айсберга, пространство, состоящее из небарионной материи. Оно остается абсолютно невидимым для нас, несмотря на то что общее поведение и законы, по которым живет Вселенная, четко указывают на неизбежность существования этого незримого слоя материи и энергии.

Сегодня поговорим о темной материи и темной энергии — одной из самых глубоких загадок современной астрофизики, разгадка которой способна приблизить нас к пониманию, почему именно Вселенная неуклонно расширяется. И даже намекнуть, какой конец может ее ждать.

Таинственное взаимодействие с гравитацией: основные свойства темной материи и энергии

Для начала следует определиться, что именно означают эти два загадочных термина. Темная материя — это невидимая форма материи, которая не излучает, не поглощает и не отражает свет. Ее нельзя увидеть напрямую, но ее существование заметно благодаря гравитационному воздействию на видимый космос: звезды, галактики и их скопления. Это можно сравнить с каруселью, заполненной людьми: во время ее движения, чтобы пассажиры не выпали, им нужно держаться за поручни или пристегиваться ремнями безопасности. Только вот в случае с темной материей все эти меры удержания «пассажиров» остаются невидимыми для тех, кто следит за движением «карусели». 

Осознание наличия темной материи пришло благодаря изучению периферии галактик. Дело в том, что звезды на окраинах галактик вращаются настолько быстро, что давно бы разлетелись, если бы их удерживала гравитация, вызванная исключительно их собственной массой. Но их наблюдаемой массы недостаточно для того баланса, который астрономы отмечают на самом деле. На все космологические структуры Вселенной действует какая-то дополнительная гравитация, достаточно сильная, чтобы удерживать галактики вместе. Именно ее происхождение астрономы и объясняют существованием темной материи. По сути, ее представляют неизвестными частицами, которые не вступают во взаимодействие с электромагнитными силами, из-за чего и остаются невидимыми для нас. Их контактирование с обычной материей происходит исключительно через гравитацию, что словно скрепляет все космологические системы между собой.

Темная энергия, напротив, выступает как неизвестная форма энергии, которая, в отличие от темной материи, не накапливается в отдельных зонах пространства, и не действует как гравитационная «липкая лента». Наоборот, все исследования подтверждают, что темная энергия имеет отрицательную гравитацию, постоянно ускоряющую расширение Вселенной. Долгое время считалось, что там все объекты удаляются друг от друга с определенной скоростью, но астрономические наблюдения последнего столетия указывают, что расширение Вселенной неуклонно ускоряется. Именно для того, чтобы объяснить такое ускорение разбега объектов во Вселенной, и понадобилось введение понятия «темная энергия». То есть, проще можно сказать, что этот тип энергии является свойством самого космического вакуума, который раньше воспринимали как абсолютно пустое пространство. 

Итак, темная материя и темная энергия — две совершенно разные, но одинаково загадочные сущности, составляющие подавляющее большинство нашей Вселенной. По последним расчетам, доля темной материи здесь должна составлять ≈27% (или около 80% от всей материи), тогда как на темную энергию должно приходиться до ≈68% от всего наполнения Вселенной.

Как видим, хотя и темная материя, и темная энергия взаимодействуют с гравитацией, они делают это совершенно по-разному. Темная материя удерживает галактики вместе, предотвращая их распадение. Скорее всего, именно темная материя и ответственна за эффект гравитационного линзирования, который искривляет свет, поступающий к нам от очень удаленных галактик (за это время свет должен проходить мимо областей большой концентрации темной материи). Темная энергия же, вероятно, является именно свойством пространства-времени, которое постоянно создает отрицательную гравитацию и обеспечивает ускорение расширения нашей Вселенной. Но как именно астрономы пришли к концепциям о существовании этих двух понятий?

Шире нашего воображения: первое подтверждение ускоренного расширения Вселенной

До начала XX века астрономы попросту не нуждались в концепции темной материи. Классическая ньютоновская механика прекрасно объясняла движение планет и звезд в пределах Солнечной системы, а также вращение звезд в Млечном Пути. Видимая материя в космосе, которую тогдашние астрономы наблюдали в свои телескопы, казалась единственным фактором, определяющим гравитацию.

В 1920-х годах существенный вклад в процессы понимания Вселенной внес Эдвин Хаббл, американский астроном и сотрудник обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии. Разглядывая звездное небо в свой 100-дюймовый (2,5-метровый) телескоп-рефлектор Хукера, он установил, что спиральные туманности на самом деле являются отдельными галактиками, расположенными далеко за пределами нашего Млечного Пути. Открытие Хаббла коренным образом изменило представление научного сообщества о размерах нашей Вселенной.

Впрочем, не открытием новых галактик Эдвин Хаббл поразил своих коллег больше всего. Зная о наличии других галактик, ученый поставил себе задачу определить два основных параметра: их удаленность от нас и скорость их движения.

Для вычисления расстояния до других галактик Хаббл использовал особый тип звезд — цефеиды, также известные астрономам как «стандартные свечи». Цефеиды были пульсирующими звездами, меняющими свою яркость с определенной периодичностью. И чем длиннее был период их колебаний, тем больше усиливалась их светимость. Благодаря этому Хаббл знал, насколько яркая звезда на самом деле. Это означало, что более удаленные от нас цефеиды, светящие нам из далеких галактик, имели значительно меньшую видимую яркость, чем те, что рядом.

Сравнив истинную светимость цефеиды (которую он знал по ее пульсации) с ее видимой яркостью (которую ученый наблюдал в свой телескоп), Хаббл мог точно рассчитать, как далеко от нас та или иная пульсирующая звезда. Методология работы с цефеидами стала настоящим чудом для наблюдательной астрономии, позволив с поразительной точностью измерять расстояние до удаленных космологических объектов, прежде всего других галактик.

Следующим шагом для Хаббла стало определение скорости удаления этих галактик. Понимание того, что подавляющее большинство галактик во Вселенной именно удаляются, а не приближаются к нашей, появилось еще до наблюдений Эдвина Хаббла. Это стало известно благодаря эффекту красного смещения (или сдвига), который можно было наблюдать в специальном оптическом приборе — спектроскопе. Прибор раскладывал свет на условные спектры (темные линии поглощения) и определял динамику изменения расстояния от источника его происхождения.

Когда на спектроскоп поступал свет от объекта, удаляющегося от наблюдателя, его спектр начинал растягиваться, а длина волны увеличивалась, смещаясь к красной части спектра. В обратном случае, когда объект приближался к нам, его световые волны сжимались, и спектр смещался к синей части — это называется синим смещением. Если же источник света не двигался относительно наблюдателя, никакого цветового смещения не фиксировалось.

Эффект красного смещения был известен еще до того, как Хаббл начал свою профессиональную астрономическую карьеру. В период с 1912 по 1917 год астроном Весто Слайфер выяснил, что большинство спиральных туманностей (которые благодаря наблюдениям Хаббла определили другими галактиками) имели красное смещение, а значит, отдалились в пространстве от нашей галактики. Больше всего астронома удивила именно скорость этого удаления, значительно превышающая его расчеты, и из-за этого — непонятная. Впрочем, Эдвин Хаббл приблизился к решению этого парадокса.

Вселенское равновесие: доказательства существования темной материи

Измерив скорости галактик с помощью эффекта красного смещения и зная расстояние до них через светимость цефеид, Хаббл сформулировал свой знаменитый закон, гласящий: «Скорость, с которой галактики удаляются от нас, прямо пропорциональна их расстоянию». Именно из закона Хаббла следовало: чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Но этот феномен вызван не линейным ускорением движения галактик как таковых, а самим свойством нашей Вселенной — она постоянно расширялась, причем скорость этого явления только увеличивалась.

Закон Хаббла коренным образом изменил представления ученых о масштабах нашей Вселенной, но уже в 1930-х годах некоторых из них ждало новое потрясение. В ходе своих астрономических наблюдений швейцарский астроном Фриц Цвикки заметил удивительные вещи: изучая скопление галактик в созвездии Волосы Вероники, он обнаружил, что скорость их движения значительно превышала ту, которую можно было бы объяснить гравитацией видимой массы этих галактик.

По его расчетам, галактики должны были бы разлететься в разные стороны, но они почему-то держались вместе. Цвикки предположил, что существует какая-то «невидимая материя», создающая дополнительную гравитацию. Именно он был первым, кто назвал ее темной материей. Слово «темная» в понимании астронома призвано было объяснить не цвет, а именно таинственность этого нового вида материи. Размышляя над ее происхождением, Цвикки хорошо осознал истину, сформулированную еще Сократом во времена Античной Греции — он убедился, что ничего не смыслит в этом загадочном виде материи.

Несколько десятилетий подряд идея Фрица Цвикки оставалась малоизвестной, пока в 1970-х годах американская астроном Вера Рубин не подтвердила его предположение. Изучая скорость вращения звезд в спиральных галактиках, она установила, что звезды в окрестностях галактик вращаются так же быстро, как и те, что ближе к центру. Но, согласно существующим законам гравитации, удаленные звезды двигались бы значительно медленнее. Это было возможно лишь при условии, что галактики на самом деле окружены гигантским гало невидимой массы, которая не излучает света, но оказывает сверхмощное гравитационное влияние на всю видимую (барионную) материю. Так зародилась современная теория темной материи.

Блуждание в темноте: открытие темной энергии

Даже столкнувшись с тайной темной материи, научное сообщество все еще было убеждено, что судьба нашей Вселенной решена: ее расширение, начавшееся с Большого взрыва, постепенно замедлялось под действием гравитации.

И эта новая дополнительная гравитация, которая могла производиться гало темной материи, должна была только усугубить это замедление. До начала 1990-х годов в научном сообществе преобладали предположения, что с течением времени Вселенная либо просто достигнет равновесия, либо, наоборот, начнет сжиматься в Большом сжатии, чтобы в конечном итоге вновь собрать всю видимую материю воедино. В такую цикличность хотелось верить, и многим астрофизикам она казалась интуитивно понятной. Поэтому до 1990-х годов большинство исследований были направлены именно на то, чтобы измерить, насколько быстро должно происходить замедление текущего расширения пространства-времени.

Однако в 1998 году две независимые группы ученых, High-Z Supernova Search Team и Supernova Cosmology Project, получили шокирующие результаты, изучая далекие сверхновые типа Ia. Эти звезды были «стандартными свечами» — по примеру цефеид они позволяли ученым измерять расстояния в космосе. Обе группы исследователей пытались вычислить скорость расширения Вселенной, но их данные неизменно свидетельствовали, что наиболее далекие сверхновые на вид тусклее, чем ожидалось.

Результаты исследований могли означать только одно — сверхновые расположены дальше, нежели предполагала теория. Следовательно, расширение Вселенной не замедляется, а наоборот — ускоряется. Такое неординарное поведение звезд и выводы ученых требовали существования неизвестной силы, которая должна была противостоять гравитации. Впервые в научном сообществе была сформулирована гипотеза о темной энергии.

Открытие темной энергии снова коренным образом изменило представление о космосе, каким мы его знаем. Если раньше Вселенная казалась огромной, но понятной машиной, которая по всем законам логики должна была бы замедляться после начального ускорения, приданного Большим взрывом, то теперь она превратилась в арену для двух противоположных и невидимых нашему глазу сил. Гравитация темной материи стягивает материю в скопления, а отталкивающая сила темной энергии, наоборот, раздвигает Вселенную. Именно эта неожиданность заставила астрономов кардинально изменить свой взгляд на судьбу нашей Вселенной.Но самым удивительным в открытии темной энергии было то, что ее косвенно описывал еще Альберт Эйнштейн. Простейшей моделью Вселенной, постоянно ускоряющейся под действием отрицательной гравитации, была космологическая константа — идея, предложенная еще в 1915 году в его Общей теории относительности. Космологическая константа как общая отталкивающая сила (антигравитация) была введена Эйнштейном для предотвращения коллапса статической Вселенной. Впрочем, эта идея прожила всего несколько лет, до открытия закона Хаббла и подтверждения именно ускоренного расширения Вселенной.

Однако в 1998 году, когда астрономы сразу двух научных групп обнаружили, что Вселенная все же ускоряет свое расширение значительно интенсивнее, чем ожидалось, об этой «ошибке Эйнштейна» снова вспомнили. Оказалось, что именно эйнштейновская космологическая константа является самой простой моделью невидимой силы, действующей как отрицательная гравитация. По иронии судьбы, отец современной физики изобрел правильное математическое решение для неправильного вопроса (доказательства ложной теории статической Вселенной).

Стоит отметить, что наличие темной энергии способно описать и то, какой конец может постигнуть нашу Вселенную. Современная наука имеет по этому поводу несколько предположений. Если плотность темной энергии все же остается неизменной, и она действительно является космологической константой — расширение Вселенной в дальнейшем будет ускоряться, и галактики постепенно будут удаляться друг от друга с неуклонно растущей скоростью. Со временем они станут настолько далекими друг от друга, что свет от них никогда не сможет достичь нас. Звезды постепенно погаснут, а газ и пыль рассеются в бесконечном космическом ничто. Такая Вселенная станет чрезвычайно холодной, пустой, темной, без звезд. И даже сами атомы начнут разлетаться на части. Этот вариант конца нашей Вселенной называется Великим замерзанием.

Другой сценарий конца нашей Вселенной похож на первый, но предполагает, что природа темной энергии окажется еще более динамичной. Тогда плотность темной энергии с течением времени будет только расти, а ее отталкивающая сила станет настолько мощной, что в какой-то момент превзойдет все другие силы, включая гравитацию, электромагнетизм и даже ядерные силы, скрепляющие атомы между собой. Этот процесс привел бы к разрушению всех существующих структур во Вселенной. Сначала разорвутся скопления галактик, затем сами галактики начнут распадаться. Далее — черед звезд и планет, которые постепенно оторвутся от своих орбит. В конце концов даже атомы будут разорваны на элементарные частицы. Этот драматический сценарий известен как Великий разрыв.

Практическая польза: зачем нам изучать темные силы?

Исследование темной материи и темной энергии не является чисто академической прихотью. Понимание этого потенциально имеет и огромное практическое значение, выходящее далеко за пределы теоретической науки. Именно поэтому поиск любых доказательств существования темной энергии и темной материи не прекращается ни на мгновение.

Во-первых, обнаружение и идентификация частиц темной материи может привести к настоящей революции в физике элементарных частиц. Исследования по поиску этих частиц продолжаются еще с момента повторного открытия темной материи Верой Рубин. С тех пор ученые разработали несколько концепций, чтобы объяснить, чем на самом деле должна быть темная материя. Наиболее популярной является гипотеза про Weakly Interacting Massive Particles (WIMP) — массивные частицы, которые не взаимодействуют с электромагнитным излучением, а только с гравитацией. На сегодняшний день состоялось много экспериментов для их обнаружения. В частности, это XENON1T (сейчас заменен на более мощную установку XENONnT), на Большом адронном коллайдере. Впрочем, пока он не предоставил нам прямых доказательств существования темной материи.

Если главные кандидаты на роль частиц темной материи, WIMP или аксионы (обладают еще более слабым взаимодействием, чем WIMP, и еще меньшей массой), когда-нибудь все же будут найдены, это ознаменует открытие совершенно нового класса материи, не входящей в Стандартную модель, описывающую все известные нам частицы. Такое открытие не только заполнит 27% пробелов в нашей Вселенной (приходящихся на темную материю), но и может проложить путь к созданию новых технологий, подобно тому, как открытие электрона в свое время дало начало современной электронике. Более того, понимание природы темной материи способно дать нам ключ к объединению гравитации с другими фундаментальными силами природы.

Во-вторых, исследование темной материи поможет нам лучше ориентироваться в космосе и планировать будущие космические миссии. Наблюдения показывают, что темная материя образует гигантские волокнистые структуры, так называемую космическую паутину, вдоль которой расположены все галактики. Эта «паутина» является невидимым скелетом нашей Вселенной. Освоив природу темной материи, мы сможем точно картографировать эти невидимые структуры. Со своей стороны, это позволит нам находить новые галактики, звездные скопления и даже потенциально пригодные для жизни миры. То есть послужит своеобразным GPS для межгалактических путешествий.

Но наиболее фантастические перспективы связаны с освоением темной энергии. Если окажется, что она является не просто космологической константой, а какой-то динамической квинтэссенцией — человечеству откроется путь к действительно удивительным вещам. Отталкивающий эффект темной энергии может стать основой для создания новых типов космических двигателей. Теоретические концепции, известные как варп-двигатели, предлагают использовать темную энергию для изгиба пространства-времени, чтобы «сжимать» пространство перед космическим кораблем и «расширять» его позади него. Следовательно, варп-двигатели вполне могут позволить преодолевать огромные расстояния мгновенно благодаря свойствам самого пространства, а не реактивному ускорению космического корабля.

Альтернативные гипотезы: модифицированная ньютоновская динамика

Несмотря на широкую поддержку, у теорий темной материи и темной энергии имеются и свои критики, предлагающие альтернативные модели, не требующие существования этих невидимых сущностей.

Наиболее известной из них является Модифицированная ньютоновская динамика (MOND), которую в 1983 году выдвинул израильский физик Мордехай Милгром. Его теория утверждает, что законы гравитации Ньютона и Эйнштейна начинают работать иначе на очень малых ускорениях, характерных для зон на периферии галактик. Изменяя сами законы гравитации, MOND пытается объяснить скорость вращения галактик без необходимости наличия темной материи. Популярность модели MOND возросла после того, как она успешно предсказала движение некоторых звездных скоплений.

Впрочем, MOND имеет и свои ограничения. Она хорошо работает на уровне отдельных галактик, но все еще не в состоянии объяснить большие скопления галактик — их видимой массы все равно недостаточно, чтобы объяснить наблюдения, даже в рамках альтернативной модели MOND. Например, известно, что скопления галактик создают настолько мощную гравитацию, что искривляют пространство-время вокруг себя, изгибая свет от дальних объектов (явление гравитационного линзирования). Согласно теории Милгрома, силы, вызывающие это линзирование, должны соответствовать распределению видимой массы (галактик и газа), однако измерения показывают, что гравитационный эффект намного сильнее того, который может создать видимая материя.

Большинство альтернативных теорий также не в состоянии объяснить весь спектр космологических наблюдений, в частности структуру космического микроволнового фона. На сегодняшний день подобные альтернативные теории остаются преимущественно теоретическими наработками и не подтверждены так широко, как теория темной материи и темной энергии. Именно поэтому научное сообщество настойчиво продолжает попытки еще дальше углубиться в космическое пространство и хотя бы мельком увидеть эти скрытые 95% большого айсберга Вселенной.