Гравітаційне павутиння Всесвіту: загадка темної матерії і темної енергії

Чи замислювались ви коли-небудь над тим, що світ, який ми бачимо і з яким фізично можемо взаємодіяти, це лише невелика вершина айсберга від загального наповнення Всесвіту? Вся видима матерія, зоряні скупчення, галактики, планетарні й зоряні туманності, і навіть ми з вами — все це становить лише близько 5% від усього вмісту Всесвіту. Решта 95% являє собою своєрідну низину айсберга, простір, що складається з небаріонної матерії. Він залишається абсолютно невидимим для нас, попри те, що загальна поведінка й закони, за якими живе Всесвіт, чітко вказують на необхідність існування цього незримого шару матерії та енергії. 

Сьогодні поговоримо про темну матерію та темну енергію — одну з найглибших загадок сучасної астрофізики, розгадка якої має наблизити нас до розуміння, чому саме Всесвіт невпинно розширюється. Ба навіть натякнути, який кінець може на нього чекати.

Таємнича взаємодія із гравітацією: основні властивості темної матерії та енергії

Для початку слід визначитися, що саме означають ці два загадкових терміни. 

Темна матерія — це невидима форма матерії, яка не випромінює, не поглинає та не відбиває світло. Її не можна побачити безпосередньо, але її існування помітне через гравітаційний вплив на видимий космос: зорі, галактики та їхні скупчення. Це можна порівняти з каруселлю, заповненою людьми: під час її руху, аби пасажири не повипадали, їм потрібно триматися за поручні або пристібатися пасками безпеки. Тільки от у випадку з темною матерією усі ці заходи утримання “пасажирів” залишаються невидимими для тих, хто стежить за рухом “каруселі”. 

Усвідомлення наявності темної матерії прийшло завдяки вивченню периферії галактик. Річ у тім, що зорі на околицях галактик обертаються настільки швидко, що давно б розлетілися, якби їх утримувала гравітація, спричинена лише їхньою власною масою. Але їхньої спостережної маси недостатньо для того балансу, який астрономи зауважують насправді. На всі космологічні структури Всесвіту діє якась додаткова гравітація, достатньо сильна, щоб тримати галактики разом. От саме її походження астрономи й пояснюють існуванням темної матерії. По суті, її уявляють невідомими частинками, які не взаємодіють з електромагнітними силами, через це й залишаються невидимими для нас. Їхнє контактування зі звичайною матерією відбувається виключно через гравітацію, що немов скріплює усі космологічні системи поміж собою.

Темна енергія, натомість, виступає як невідома форма енергії, яка, на відміну від темної матерії, не накопичується в окремих зонах простору, і не діє як гравітаційна “клейка стрічка”. Навпаки, всі дослідження твердять, що темна енергія має від’ємну гравітацію, яка постійно прискорює розширення Всесвіту. Довгий час уважалося, що там усі об’єкти віддаляються один від одного із усталеною швидкістю, але астрономічні спостереження останнього сторіччя вказують, що розширення Всесвіту невпинно прискорюється. Саме для того, щоб пояснити таке пришвидшення розбігу об’єктів у Всесвіті, і знадобилося впровадження поняття “темна енергія”. Тобто, простіше можна сказати, що цей тип енергії є властивістю самого космічного вакууму, який раніше сприймали як абсолютно пустий простір. 

Отже, темна матерія та темна енергія — дві абсолютно різні, проте однаково загадкові сутності, що становлять переважну більшість нашого Всесвіту. За останніми розрахунками, частка темної матерії тут має становити ≈27% (або близько 80% від усієї матерії), тоді як на темну енергію припадатиме до ≈68% від усього наповнення Всесвіту.

Як бачимо, хоча і темна матерія, і темна енергія взаємодіють із гравітацією, вони роблять це у зовсім різний спосіб. Темна матерія утримує галактики разом, запобігаючи їхньому розпаду. Найімовірніше, саме темна матерія й відповідальна за ефект гравітаційного лінзування, який викривляє світло, що надходить до нас від дуже віддалених галактик (за цей час світло має проходити повз області великої концентрації темної матерії). Темна енергія ж, найвірогідніше, є саме властивістю простору-часу, яка постійно створює від’ємну гравітацію та забезпечує прискорення розширення нашого Всесвіту. Але як саме астрономи дійшли до концепцій про існування цих двох понять?

Ширший за нашу уяву: перше підтвердження прискореного розширення Всесвіту

До початку XX століття астрономи просто не мали потреби в концепції темної матерії. Класична ньютонівська механіка чудово пояснювала рух планет і зір у межах Сонячної системи, а також обертання зір у Чумацькому Шляху. Видима матерія у космосі, яку тодішні астрономи спостерігали у свої телескопи, здавалася єдиним фактором, що визначає гравітацію. 

У 1920-х роках на процеси розуміння Всесвіту суттєво вплинув Едвін Габбл, американський астроном і співробітник обсерваторії Маунт-Вілсон у Каліфорнії. Роздивляючись зоряне небо у свій 100-дюймовий (2,5-метровий) телескоп-рефлектор Гукера, він визначив, що спіральні туманності насправді є окремими галактиками, розташованими далеко за межами нашого Чумацького Шляху. Відкриття Габбла докорінно змінило уявлення наукової спільноти про розміри нашого Всесвіту.

Утім, не відкриттям нових галактик Едвін Габбл найбільше здивував своїх колег. Знаючи про наявність інших галактик, вчений поставив собі завданням з’ясувати два основні параметри: віддаленість їх від нас і швидкість їхнього руху. 

Для визначення відстані до інших галактик Габбл використав особливий тип зір — цефеїди, також відомі астрономам як “стандартні свічки”. Цефеїди були пульсуючими зорями, що змінювали свою яскравість із певною періодичністю. І що довшим був період їхніх коливань — дедалі більшала їхня світність. Завдяки цьому Габбл знав, якою яскравою зоря є насправді. Це означало, що більш віддалені від нас цефеїди, які світили нам з далеких галактик, мали значно меншу видиму яскравість, ніж ті, що поруч. 

Порівнявши справжню світність цефеїди (яку він знав за її пульсацією) з її видимою яскравістю (яку вчений спостерігав у свій телескоп), Габбл міг точно розрахувати, наскільки далеко від нас та чи інша пульсуюча зоря. Методологія роботи з цефеїдами стала справжнім дивом для спостережної астрономії, адже дозволила вимірювати з вражаючою точністю дистанцію до віддалених космологічних об’єктів, насамперед інших галактик.

Наступним кроком для Габбла стало визначення швидкості віддалення цих галактик. Те, що переважна більшість галактик у Всесвіті саме віддаляються, а не наближаються до нашої, людство зрозуміло ще до спостережень Едвіна Габбла. Це стало відомо завдяки ефекту червоного зсуву (або зміщення), який можна було спостерігати у спеціальний оптичний прилад — спектроскоп. Прилад розкладав світло на умовні спектри (темні лінії поглинання) та визначав динаміку зміни відстані від джерела його походження. 

Коли на спектроскоп надходило світло від об’єкта, що віддаляється від спостерігача, його спектр починав розтягуватися, а довжина хвилі збільшувалася, зміщуючись до червоної частини спектра. У зворотному випадку, коли об’єкт наближався до нас, його світлові хвилі стискалися, і спектр зміщувався до синьої частини — це називається синім зміщенням. Якщо ж джерело світла не рухалося відносно спостерігача, жодного кольорового зміщення не фіксувалося.

Ефект червоного зміщення був відомий ще до того, як Габбл почав свою професійну астрономічну кар’єру. В період з 1912 до 1917 року астроном Весто Слайфер з’ясував, що більшість спіральних туманностей (які завдяки спостереженням Габбла визначили іншими галактиками) мали червоне зміщення, а значить, віддалилися у просторі від нашої галактики. Найбільше астронома здивувала саме швидкість цього віддалення, що була значно вищою за його розрахунки, і через це — незрозумілою. Втім, Едвін Габбл наблизився до розв’язання цього парадоксу. 

Всесвітня рівновага: докази існування темної матерії

Вимірявши швидкості галактик за допомогою ефекту червоного зміщення та знаючи відстань до них через світність цефеїд, Габбл сформулював свій знаменитий закон, який твердив: “Швидкість, з якою галактики віддаляються від нас, прямо пропорційна їхній відстані”. Саме із закону Габбла випливало: що далі галактика, то швидше вона віддаляється від нас. Але цей феномен спричинений не лінійним прискоренням руху галактик як таких, а самою властивістю нашого Всесвіту — він постійно розширювався, причому швидкість цього явища лише зростала.

Закон Габбла докорінно змінив уявлення вчених про масштаби нашого Всесвіту, але вже у 1930-х роках на деяких з них чекало нове потрясіння. Під час своїх астрономічних спостережень швейцарський астроном Фріц Цвіккі помітив дивовижні речі: вивчаючи скупчення галактик у сузір’ї Волосся Вероніки, він помітив, що швидкість їхнього руху значно перевищувала ту, яку можна було б пояснити гравітацією видимої маси цих галактик. 

За його розрахунками, галактики мали б розлетітися врізнобіч, але вони чомусь трималися разом. Цвіккі припустив, що існує якась “невидима матерія”, яка створює додаткову гравітацію. Саме він був першим, хто назвав її темною матерією. Слово “темна” в розумінні астронома мало пояснювати не колір, а саме таємничість цього нового виду матерії. Розмірковуючи над її походженням, Цвіккі добре усвідомив істину, сформульовану ще Сократом за часів Античної Греції — він упевнився, що нічого не розуміє про цей загадковий вид матерії.

Кілька десятиліть поспіль ідея Фріца Цвіккі залишалася маловідомою, аж поки в 1970-х роках американська астроном Віра Рубін не підтвердила його припущення. Вивчаючи швидкість обертання зір у спіральних галактиках, вона визначила, що зорі на околицях галактик обертаються так само швидко, як і ті, що ближче до центра. Але, за існуючими законами гравітації, віддалені зорі рухалися б значно повільніше. Це було б можливим лише за умови, якщо галактики насправді оточені гігантським гало невидимої маси, яка не випромінює світла, проте має надпотужний гравітаційний вплив на всю видиму (баріонну) матерію. Так зародилася сучасна теорія темної матерії.

Блукання у пітьмі: відкриття темної енергії

Навіть зіткнувшись із таємницею темної матерії, наукова спільнота все ще була переконана, що доля нашого Всесвіту вирішена: його розширення, що почалося з Великого вибуху, має поступово сповільнюватися під дією гравітації. І ця нова додаткова гравітація, що могла вироблятися гало темної матерії, мала б лише прискорити це гальмування. До початку 1990-х років у науковій спільноті переважали припущення, мовляв, із плином часу Всесвіт або просто досягне рівноваги, або, навпаки, почне стискатися у Великому стисненні, щоб зрештою знову поєднати всю видиму матерію докупи. В таку циклічність хотілося вірити, і багатьом астрофізикам вона здавалася інтуїтивно зрозумілою. Тож до 1990-х років більшість досліджень була спрямована саме на те, аби виміряти, наскільки швидко має відбуватися уповільнення поточного розширення простору-часу.

Однак 1998 року дві незалежні групи вчених, High-Z Supernova Search Team та Supernova Cosmology Project, отримали шокуючі результати, вивчаючи далекі наднові типу Ia. Ці зорі були “стандартними свічками” — за прикладом цефеїд вони дозволяли вченим вимірювати відстані в космосі. Обидві групи дослідників намагалися вирахувати швидкість розширення Всесвіту, але їхні дані незмінно свідчили, що найбільш далекі наднові на вигляд тьмяніші, аніж очікувалося.

Результати досліджень могли означати лише одне — наднові розташовані далі, ніж передбачала теорія. Отже, розширення Всесвіту не сповільнюється, а навпаки — прискорюється. Така неординарна поведінка зір і висновки вчених вимагали існування невідомої сили, яка мала протистояти гравітації. Уперше в науковому товаристві була окреслена гіпотеза про темну енергію. 

Відкриття темної енергії знову докорінно змінило уявлення про космос, яким ми його знаємо. Якщо раніше Всесвіт здавався величезною, однак зрозумілою машиною, що за всіма законами логіки мала би сповільнюватися після початкового прискорення, наданого Великим вибухом, то тепер він перетворився на арену для двох протилежних і невидимих нашому оку сил. Гравітація темної матерії стягує матерію в скупчення, а відштовхувальна сила темної енергії, навпаки, розсуває Всесвіт. Саме ця несподіванка змусила астрономів кардинально змінити свій погляд на долю нашого Всесвіту.Та найдивовижнішим у відкритті темної енергії було те, що її дотично описував ще Альберт Ейнштейн. Найпростішою моделлю Всесвіту, що постійно прискорюється під дією від’ємної гравітації, була космологічна константа — ідея, запропонована ще 1915 року в його Загальній теорії відносності. Космологічна константа як загальна відштовхувальна сила (антигравітація) була введена Ейнштейном задля запобігання колапсу статичного Всесвіту. Втім, ця ідея прожила всього декілька років, до відкриття закону Габбла і підтвердження саме прискореного розширення Всесвіту.

Однак 1998 року, коли астрономи одразу двох наукових груп виявили, що Всесвіт все ж таки прискорює власне розширення значно інтенсивніше, ніж очікувалося, про цю “помилку Ейнштейна” знову згадали. Виявилося, що саме ейнштейнівська космологічна константа є найпростішою моделлю невидимої сили, яка діє як від’ємна гравітація. За іронією долі, батько сучасної фізики винайшов правильне математичне рішення для неправильного питання (доказу хибної теорії статичного Всесвіту). 

Варто зазначити, що наявність темної енергії здатна описати й те, який кінець може спіткати наш Всесвіт. Сучасна наука має щодо цього декілька припущень. Якщо щільність темної енергії все ж залишається незмінною, і вона справді є космологічною константою — розширення Всесвіту надалі прискорюватиметься, і галактики поступово віддалятимуться одна від іншої з невпинно зростаючою швидкістю. З часом вони стануть настільки далекими між собою, що світло від них ніколи не зможе досягти нас. Зорі поступово згаснуть, а газ і пил розсіються у безмежному космічному ніщо. Такий Всесвіт стане надзвичайно холодним, порожнім, темним, без зір. І навіть самі атоми почнуть розлітатися на частини. Цей варіант кінця нашого Всесвіту називається Великим замерзанням.

Інший сценарій кінця нашого Всесвіту схожий на перший, але передбачає, що природа темної енергії виявиться ще більш динамічною. Тоді щільність темної енергії із плином часу лише зростатиме, а її відштовхувальна сила стане настільки потужною, що в якийсь момент подолає всі інші сили, включно із гравітацією, електромагнетизмом і навіть ядерними силами, що скріплюють атоми між собою. Цей процес призвів би до руйнування всіх наявних структур у Всесвіті. Спочатку розірвуться скупчення галактик, потім самі галактики почнуть розпадатися. Далі — черга зір і планет, що поступово відірвуться від своїх орбіт. Врешті-решт навіть атоми будуть розірвані на елементарні частинки. Цей драматичний сценарій відомий як Великий розрив. 

Практична користь: навіщо нам вивчати темні сили?

Дослідження темної матерії і темної енергії не є суто академічною забаганкою. Розуміння цього потенційно має й величезне практичне значення, що виходить далеко за межі теоретичної науки. Саме тому пошук будь-яких доказів існування темної енергії і темної матерії не припиняється ані на мить.

По-перше, виявлення й ідентифікація часток темної матерії може призвести до справжньої революції у фізиці елементарних частинок. Дослідження з пошуку цих частинок тривають ще з моменту повторного відкриття темної матерії Вірою Рубін. Відтоді науковці розробили кілька концепцій, щоб пояснити, чим насправді має бути темна матерія. Найбільш популярною є гіпотеза про Weakly Interacting Massive Particles (WIMP) — масивні частинки, які не взаємодіють з електромагнітним випромінюванням, а лише з гравітацією. На сьогодні відбулося багато експериментів для їхнього виявлення. Зокрема, це XENON1T (наразі замінений на більш потужну установку XENONnT), який триває на Великому адронному колайдері. Утім, поки що він не надав нам прямих доказів існування темної матерії.

Якщо головні кандидати на роль частинок темної матерії, WIMP або аксіони (мають ще слабшу взаємодію, ніж WIMP, і ще меншу масу), коли-небудь все ж таки будуть знайдені, це означатиме відкриття абсолютно нового класу матерії, що не входить до Стандартної моделі, яка описує всі відомі нам частинки. Таке відкриття не лише заповнить 27% прогалин у нашому Всесвіті (що припадають на темну матерію), але й може прокласти шлях до створення нових технологій, за аналогією з тим, як відкриття електрона свого часу дало початок сучасній електроніці. Ба більше, розуміння природи темної матерії здатне дати нам ключ до об’єднання гравітації з іншими фундаментальними силами природи.

По-друге, дослідження темної матерії допоможе нам краще орієнтуватися в космосі та планувати майбутні космічні місії. Спостереження показують, що темна матерія утворює велетенські волокнисті структури, так зване космічне павутиння, уздовж якого розташовані всі галактики. Це “павутиння” є невидимим скелетом нашого Всесвіту. Опанувавши природу темної матерії, ми зможемо точно картографувати ці невидимі структури. Зі свого боку, це дозволить нам знаходити нові галактики, зоряні скупчення і навіть потенційно придатні для життя світи. Тобто слугуватиме своєрідним GPS для міжгалактичних подорожей.

Та найбільш фантастичні перспективи пов’язані з опануванням темної енергії. Якщо виявиться, що вона є не просто космологічною константою, а якоюсь динамічною квінтесенцією — людству відкриється шлях до насправді дивовижних речей. Відштовхувальний ефект темної енергії може стати основою для створення нових типів космічних двигунів. Теоретичні концепції, відомі як варп-двигуни, пропонують використання темної енергії для згинання простору-часу, щоб “стискати” простір перед космічним кораблем і “розширювати” його позаду нього. Відтак варп-двигуни будуть здатні допомогти долати величезні відстані миттєво завдяки властивостям самого простору, а не реактивному прискоренню космічного корабля.

Альтернативні гіпотези: модифікована ньютонівська динаміка

Попри широку підтримку, теорії темної матерії і темної енергії мають і своїх критиків, які пропонують альтернативні моделі, що не потребують існування цих невидимих сутностей. Найвідомішою з них є Модифікована ньютонівська динаміка (MOND), яку 1983 року висунув ізраїльський фізик Мордехай Мілгром. Його теорія стверджує, що закони гравітації Ньютона та Ейнштейна починають працювати інакше на дуже малих прискореннях, характерних для зон на периферії галактик. Змінюючи самі закони гравітації, MOND намагається пояснити швидкість обертання галактик без необхідності наявності темної матерії. Популярність моделі MOND зросла після того, як вона успішно передбачила рух деяких зоряних скупчень.

Утім, MOND має й власні обмеження. Вона добре працює на рівні окремих галактик, але досі не в змозі пояснити великі скупчення галактик — їхньої видимої маси все одно недостатньо, щоб пояснити спостереження, навіть у межах альтернативної моделі MOND. Наприклад, відомо, що скупчення галактик утворюють настільки потужну гравітацію, що викривляють простір-час навколо себе, згинаючи світло від далеких об’єктів (явище гравітаційного лінзування). Згідно з теорією Мілгрома, сили, що спричиняють це лінзування, мали б відповідати розподілу видимої маси (галактик і газу), однак вимірювання показують, що гравітаційний ефект набагато сильніший за той, який може створити видима матерія.

Більшість альтернативних теорій також не здатні пояснити весь спектр космологічних спостережень, зокрема структуру космічного мікрохвильового фону. На сьогодні подібні альтернативні теорії залишаються переважно теоретичними напрацюваннями та не підтверджені настільки широко, як теорія темної матерії і темної енергії. Саме тому наукове співтовариство не полишає спроби ще далі заглибитися в космічний простір і хоча б мигцем побачити ці приховані 95% великого айсберга Всесвіту.