В чем разница между темной материей и темной энергией?

В нашей Вселенной преобладают таинственные и невидимые формы материи и энергии, которые еще предстоит полностью (или адекватно) понять.

Эрик Бетц, 3 марта 2020 г., 19:33

Два скопления галактик столкнулись, чтобы создать «скопление пули», показанное здесь. Нормальная материя показана розовым цветом, а остальная материя — синим, показывая, что темная материя доминирует в этом огромном скоплении.(Источник: Рентген: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al.; Оптический: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.; Карта объектива: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan. /У.Аризона/Д.Клоу и др.)

Новостная рассылка

Подпишитесь на нашу рассылку по электронной почте, чтобы быть в курсе последних научных новостей

Большая часть нашей Вселенной скрыта на виду. Хотя мы не можем его увидеть или потрогать, большинство астрономов говорят, что большая часть космоса состоит из темной материи и темной энергии. Но что это за таинственная невидимая субстанция, которая нас окружает? И в чем разница между темной энергией и темной материей? Короче говоря, темная материя замедляет расширение Вселенной, а темная энергия ускоряет его.

Темная материя работает как сила притяжения — своего рода космический цемент, скрепляющий нашу вселенную. Это связано с тем, что темная материя взаимодействует с гравитацией, но не отражает, не поглощает и не излучает свет. Между тем, темная энергия — это сила отталкивания, своего рода антигравитация, которая способствует постоянно ускоряющемуся расширению Вселенной.

Темная энергия является гораздо более доминирующей силой из двух, на ее долю приходится примерно 68 процентов общей массы и энергии Вселенной. Темная материя составляет 27 процентов. А остальное — жалкие 5 процентов — это все, что мы видим и с чем взаимодействуем каждый день.

Темную материю нельзя сфотографировать, но исследователи могут обнаружить ее и нанести на карту, измерив гравитационное линзирование. Его распределение показано здесь на синем наложении внутренней области Abell 1689, скопления галактик, удаленного на 2,2 миллиарда световых лет. (Источник: NASA/ESA/JPL-Caltech/Yale/CNRS)

Темная материя

В 1930-х годах швейцарский астроном Фриц Цвикки изучил изображения примерно 1000 галактик, составляющих скопление Волос, и заметил нечто забавное в их поведении. Галактики двигались так быстро, что должны были просто разлететься. Он предположил, что их удерживает какая-то «темная материя».

Десятилетия спустя астрономы Вера Рубин и Кент Форд обнаружили похожее явление, изучая скорости вращения отдельных галактик. Звезды на внешнем краю галактики должны вращаться медленнее, чем звезды вблизи центра. Именно так вращаются планеты в нашей Солнечной системе. Вместо этого они заметили, что звезды на окраинах галактик вращаются так же быстро — или даже быстрее — чем звезды ближе. Рубин и Форд нашли больше доказательств того, что какая-то невидимая форма материи, по-видимому, удерживает Вселенную вместе.

«Даже звезды на периферии вращаются с большими скоростями», — как-то объяснил Рубин в интервью Discover. «Должно быть много массы, чтобы звезды вращались так быстро, но мы этого не видим. Мы называем эту невидимую массу темной материей».

Теперь у астрономов есть много других доказательств того, что темная материя реальна. На самом деле существование темной материи настолько общепризнано, что является частью так называемой стандартной космологической модели, которая формирует основу того, как ученые понимают рождение и эволюцию Вселенной. Без него мы не можем объяснить, как мы сюда попали.

Широкий взгляд на локальную вселенную, охватывающий сотни миллионов световых лет, раскрывает комковатую и паутинистую структуру космоса с нитями галактик и огромными пустотами. Млечный Путь — лишь одна из многих точек, составляющих сверхскопление Девы. Вместо пустых, пассивных пространств пустоты могут содержать ключи к пониманию темной материи, темной энергии и галактической эволюции. (Источник: Эндрю З. Колвин)

Но этот высокий статус заставляет космологов найти окончательное доказательство того, что темная материя существует и что их модель Вселенной верна. В течение десятилетий физики во всем мире использовали все более высокотехнологичные инструменты, чтобы попытаться обнаружить темную материю. Пока они не обнаружили никаких признаков этого.

Темная энергия

Астрономы уже около века знают, что наша Вселенная расширяется.Телескопические наблюдения показали, что большинство галактик удаляются друг от друга, а это означает, что в далеком прошлом галактики были ближе друг к другу. В результате накопились доказательства Большого Взрыва. Однако астрономы предположили, что совокупное гравитационное притяжение всех звезд и галактик космоса должно замедлять расширение Вселенной. Возможно, он даже когда-нибудь рухнет сам в себя в Большом Сжатии.

Однако это представление было отброшено в конце 1990-х годов, когда две команды астрономов заметили нечто, не имеющее никакого смысла. Исследователи, изучающие сверхновые в самых далеких галактиках, обнаружили, что далекие галактики удаляются от нас быстрее, чем близлежащие галактики. Вселенная не просто расширялась — расширение ускорялось.

(Источник: Роен Келли/Discover)

«Моя собственная реакция находится где-то между изумлением и ужасом», — сказал The New York Times в 1998 году астроном Брайан Шмидт, возглавлявший одну из двух команд. «Удивление, потому что я просто не ожидал такого результата, и ужас от осознания того, что большинство астрономов, которые, как и я, крайне скептически относятся к неожиданностям, вероятно, не поверят ему».

Но вместо того, чтобы опровергнуть это, последующие наблюдения только сделали доказательства существования темной энергии более надежными. На самом деле, некоторые видные критики темной материи до сих пор признают существование темной энергии.

Это не означает, что исследователи знают, что такое темная энергия. Отнюдь не. Но они могут описать его роль во Вселенной благодаря общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Эйнштейн не знал о темной энергии, но его уравнения предполагали, что новое пространство может появиться. И он также включил в теорию относительности поддельный фактор, называемый космологической постоянной, которую он добавил — и позже пожалел — для того, чтобы вселенная не схлопывалась внутрь. Эта идея позволяет самому пространству иметь энергию. Однако ученые до сих пор никогда не видели эту силу на Земле.

Некоторые физики-теоретики считают, что существует целое темное царство частиц и взаимодействий, которые только и ждут, чтобы их открыли. Из чего бы ни состояли темная энергия и темная материя, они, кажется, играют в перетягивание каната с нашей Вселенной — одновременно удерживая ее вместе и разрывая на части.