Всесвіт сповнений загадок, і одними з найбільш інтригуючих є темна матерія та темна енергія. Незважаючи на те, що звичайна (баріонна) матерія становить менше ніж 5% від загальної маси Всесвіту, близько 25% припадає на темну матерію, а решта 70% – на темну енергію.
Розглянемо, що таке темна матерія і темна енергія, як їх виявляють та які гіпотези пропонуються для пояснення їх природи.
Що таке темна матерія?
Темна матерія – це невидима форма матерії, яка не вступає у взаємодію з електромагнітним випромінюванням. Іншими словами, вона не поглинає, не відбиває і не випромінює світло, що робить її практично недоступною для прямої спостережливості за допомогою оптичних приладів. Її існування встановлено завдяки гравітаційному впливу на видиму матерію: рух зірок і галактик демонструє, що у космосі є набагато більше маси, ніж можна зафіксувати традиційними методами.
Чи існують частинки темної матерії?
Питання про склад темної матерії є одним із найактуальніших в астрофізиці. Звичайна матерія складається з протонів, нейтронів та електронів, які формують атоми. Проте темна матерія може бути як баріонною, так і небаріонною. Якщо її складати з баріонних елементів, то її ефекти могли б пояснюватися наявністю масивних астрофізичних компактних об’єктів гало (MACHO), до яких відносять тьмяні коричневі карлики, нейтронні зірки, чорні діри чи навіть планети-сироти. Однак таке пояснення не може охопити всю необхідну масу.
Найбільш перспективними кандидатами є небаріонні частинки. Серед них – слабко взаємодіючі масивні частинки (WIMPs), маса яких може бути у десятки або навіть сотні разів більшою за масу протона, а також стерильні нейтрино, що вступають лише у гравітаційну взаємодію. Для пошуку стерильних нейтрино використовується, наприклад, нейтринна обсерваторія IceCube, розташована під кригою Антарктиди. Іншим цікавим кандидатом є аксіони – частинки з екстремально низькою масою, які потенційно можуть вирішити й інші фундаментальні проблеми фізики. Варто зазначити, що у червні 2020 року експеримент XENON1T зафіксував сигнал, який можна інтерпретувати як можливу присутність аксіонів, хоча ці дані поки потребують додаткового підтвердження.
Холодна темна матерія: що це і чому вона важлива?
У контексті небаріонної темної матерії розрізняють гарячу та холодну темні форми. Холодна темна матерія складається з частинок, що рухаються повільно порівняно зі швидкістю світла. Саме цей сценарій дозволяє пояснити процес формування структур у Всесвіті: від карликових галактик до великих скупчень, що зливаються в більші системи. На відміну від гарячої темної матерії, де частинки рухаються з надшвидкими швидкостями і призводять до некоректного формування структур, модель холодної темної матерії узгоджується з астрономічними спостереженнями та чисельними симуляціями.
Що таке темна енергія?
Темна енергія – це загадкова форма енергії, яка рівномірно заповнює простір і є рушійною силою прискореного розширення Всесвіту. Незважаючи на невідомість її природи, темна енергія займає приблизно 70% від загальної енергетичної щільності космосу. Її незвичайні властивості – постійна густина і від’ємний тиск, що викликає ефект антигравітації, сприяють розтягуванню простору.
Як виявили темну енергію?
Відкриття темної енергії стало можливим завдяки ретельному вимірюванню відстаней до далеких космічних об’єктів. Астрономи використовують так звані стандартні свічки, серед яких наднові типу Iа займають провідне місце. Оскільки їхня абсолютна яскравість відома, вимірювання ступеня їх затемнення дозволяє точно оцінити відстань до них. У 1998 році дослідження цих наднових показали, що Всесвіт розширюється з прискоренням, що неможливо пояснити лише гравітаційним впливом звичної матерії.
Можливі пояснення природи темної енергії
Одне з пояснень полягає в тому, що темна енергія є властивістю самого простору – так званим вакуумним енергією. Згідно з цією гіпотезою, навіть у повній порожнечі простору зберігається певна енергетична щільність, яка не знижується при розширенні Всесвіту. Інша теорія пов’язана з поняттям квінтесенції – динамічного силового поля, що заповнює простір, і його властивості відрізняються від властивостей звичайної матерії та енергії. Окрім цього, деякі вчені розглядають можливість, що наше сучасне розуміння гравітації потребує коригувань. Проте, численні спостереження, зокрема пов’язані з сталою Габбла, підтверджують дію загальної теорії відносності, тому альтернативні пояснення наразі не отримали достатнього підтвердження.
Як фіксують темну матерію та темну енергію?
Перші підозри щодо існування невидимої матерії з’явилися ще в 1920-х роках. Швейцарський астроном Фріц Цвікі зауважив, що швидкість обертання далекої галактики значно перевищує теоретично можливу, якщо враховувати лише видиму масу. Пізніше в 1970-х роках Вера Рубін детально досліджувала рух зірок у галактиці Андромеди, виявивши, що їхня швидкість не зменшується на периферії, як можна було б очікувати. Такі спостереження свідчать про наявність великої кількості невидимої маси, що чинить гравітаційний вплив.
Додаткові докази отримуються за допомогою гравітаційного лінзування. Згідно з загальною теорією відносності, масивні об’єкти викривлюють простір-час, що змушує проходження світла поруч із ними змінювати свій напрямок. Аналіз таких викривлень дозволяє оцінити повну масу об’єктів, що значно перевищує масу видимої матерії.
Щодо темної енергії, її виявлення базується на спостереженнях за віддаленими надновими та аналізі реліктового випромінювання – першого світла, що з’явилося після Великого вибуху. Дані показують, що середня кривизна Всесвіту майже нульова, проте маса видимої матерії недостатня для цього, що свідчить про наявність додаткової темної компоненти.
Темна матерія та темна енергія є ключовими компонентами нашого Всесвіту, що визначають його динаміку та еволюцію. Хоча природа цих явищ досі залишається невиясненою, численні спостереження – від обертання галактик до досліджень наднових – свідчать про їхню реальну присутність. Подальші дослідження в цій галузі обіцяють не лише розкрити таємниці космосу, а й змінити наше уявлення про фундаментальні закони природи.
Зацікавлені темою? Слідкуйте за новими відкриттями, залишайте свої коментарі та підписуйтесь на наш блог, щоб першими дізнаватися про найсвіжіші наукові новини зі світу космосу!
