Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Гипотезы о темной материи и темной энергии: ротационные кривые галактик, космологическая кривизна и ускоренное расширение Вселенной

Как говорилось в предыдущем вопросе, измерения кривизны пространства различными методами дают значения, близкие к нулю — поэтому, если верны теория относительности и предположение об однородности Вселенной, плотность вещества-энергии должна с большой точностью равняться критической:

Современное значение критической плотности , что соответствует примерно пяти атомам водорода на кубический метр. С другой стороны, хотя бы из наблюдения линий поглощения в свете далеких галактик можно заключить, что межгалактическая среда обладает плотностью менее 1 атома водорода на кубический метр. По современным представлениям и согласно астрономическим наблюдениям масса межгалактического вещества превышает массу галактик в несколько раз, поэтому вносит ведущий вклад в космологическую плотность.

С другой стороны, масса, содержащаяся в суперскоплениях галактик, отклоняет лучи света, в частности, реликтовое излучение. Такие эффекты гравитационного линзирования могут быть измерены — а по их величине можно оценить массу галактического кластера. Оказывается, что измеренная таким образом масса кластера существенно превосходит оценки исходя из светимости и количества галактик в нем. Отсюда возникает проблема скрытой массы. Попытки разрешить ее привели к введению понятия темной материи и впоследствии — темной энергии.

Существование темной материи впервые предположил Фриц Цвики (1898–1974) в 1934 году. Эта гипотетическая материя, обладающая энергией и взаимодействующая исключительно гравитационным образом, могла свободно проходить сквозь обычное вещество, а также не оказывала никакого влияние на распространение света. Темная материя была абсолютно прозрачной. Цвики предположил, что темная материя является необходимым компонентом скоплений галактик и приводит к большей скорости орбитального вращения галактик, составляющего кластер. Действительно, если для простоты рассмотреть кластер со сферически-симметричным распределением масс и считать справедливым закон всемирного тяготения Ньютона, то галактику на расстоянии от центра кластера должна удерживать на орбите сила тяготения:

Здесь  — орбитальная скорость галактики, а  — масса кластера, заключенная в шаре радиуса . Таким образом,

Скорости движения галактик оказывались больше предсказываемых данной формулой, поэтому благодаря внесению в массу «довеска» из темной материи противоречие было разрешено. Естественно, уравнения движения галактик, составляющих кластер, намного сложнее — но общая закономерность остается той же.

В процессе изучения галактик, их скоплений и сверхскоплений астрофизики расширили понятие темной материи и на другие объекты во Вселенной. Более того, когда оказалось, что с хорошей точностью нулевая космологическая кривизна требует равенства плотности критической, понятие темной материи было обобщено на Вселенную в целом. Действительно, плотность видимого вещества существенно не дотягивает до критической.

В связи с гипотезой темной материи часто также упоминаются ротационные кривые спиральных галактик. Сперва предполагалось, что большая часть массы такой галактики сконцентрирована в плоскости ее диска и в первую очередь в балдже (bulge — утолщение, ядро галактики, см. схемы ниже).


Однако зависимости скоростей вращения звезд внутри спиральной галактики (ротационные кривые) не согласовывались с предположением о плоском распределении масс внутри нее. На рисунке ниже изображена теоретическая ротационная кривая для такой модели (A) и реально наблюдающееся распределение скоростей (B). Предполагая законы Кеплера и их общерелятивистские аналоги справедливыми, ученые пожертвовали плоской моделью галактик, окружив их гало из темной материи. Таким образом, звезды на периферии галактики подвержены притяжению не только ее центра, но и центральной части темного гало, гравитационное поле которого обычно доминирует.

Наиболее изучено темное гало Млечного Пути. Его диаметр составляет порядка 600000 световых лет, что в 4–5 раз больше диаметра галактического диска (см. рис. справа). Примерно такой же радиус, как диск, имеет звездное гало, содержащее старые звезды и так называемые глобулярные звездные скопления. Масса темного гало Млечного Пути оценивается на два порядка больше массы всей видимой части Галактики. Отсюда получается, что гравитационное притяжение Млечного Пути в основном обусловлено его темной составляющей.

Наконец, благодаря «довеску» из темной материи плотность вещества-энергии во Вселенной дотягивает до критической плотности, необходимой для обеспечения наблюдаемой нулевой космологической кривизны пространства. Тем не менее, даже галактической темной материи не хватает для достижения критической плотности. Это подтолкнуло астрофизиков ко введению еще одного вида темной, т.е. взаимодействующей только гравитационно, материи. Эту экзотическую материю называют темной энергией. Соотношение темной материи, темной энергии и видимого вещества изображено на диаграмме ниже.

Как видим, межгалактический газ вместе с веществом звезд составляет всего лишь 4% от общей массы Вселенной. И даже взятые вместе с галактической темной материей, они составляют лишь четверть критической плотности. Остальные три четверти массы вносит таинственная темная энергия.

В 1998 году наблюдения сверхновых типа Iа (см. предыдущий вопрос) в ранней Вселенной, проведенные группой High-z Supernova Search Team, обнаружили, что постоянная Хаббла в ранние эпохи была меньше сегодняшней. Поскольку постоянная Хаббла определяет скорости разбегания галактик, было открыто ускоренное расширение Вселенной. Данный сценарий никак не согласуется с космологической моделью без Λ ‑члена: в такой модели расширение вселенной с нулевой кривизной все время замедляется. Чтобы выйти из сложившегося противоречия, темной энергии приписали свойство, отличающее ее от темной материи: темная энергия приводит к эффективному отталкиванию, поэтому ускоряет расширение Вселенной. Говоря на языке термодинамики, можно сказать, что темная энергия обладает отрицательным давлением.

В первом приближении темную энергию можно описать наличием космологического Λ ‑члена в уравнениях Эйнштейна, что соответствует так называемой Λ-CDM космологической модели. Название расшифровывается как «Lambda-term + Cold Dark Matter» (лямбда-член + холодная темная материя). Термин «холодная» означает, что скорости движения частиц темной материи малы и не зависят от температуры вселенной. Тем не менее, ламбда-член не единственная возможная форма темной энергии. Другие модели темной энергии основываются на скалярных полях со специфическими уравнениями состояния. В лямбда-член может также давать вклад энергия вакуумных флуктуаций полей на фоне искривленного пространства-времени — энергия Казимира. Существует и множество других моделей темной энергии, и все они крайне экзотические. Неудивительно поэтому, если феномен темной энергии окажется обязанным своим появлением неприменимости теории относительности ко Вселенной в целом, невозможности непосредственного квантования гравитационного взаимодействия или ошибкам в оценке расстояний до сверхдалеких объектов во Вселенной. Даже темная материя, существование которой стало общепринятым, является феноменологическим понятием, т.е. взятым исключительно из эксперимента и для обеспечения согласия с ним. Темная энергия же является, вообще говоря, не родом материи, а наблюдаемым свойством Вселенной, не нашедшим пока теоретического объяснения.

<<К предыдущему эксперименту  |  Общая теория относительности  |  К следующему эксперименту>>