Темная материя. Темная энергия - Еще раз о Мироустройстве

Вопрос несоответствия общей суммарной массы вещественной материи во Вселенной давно озадачивал ученых астрофизиков. Ведь если учитывать во Вселенной только совокупную массу всех ее материальных частей, включая звезды, галактики, туманности и газовые облака, то такая Вселенная не может быть устойчивой. Ее гравитационных связей будет недостаточно, чтобы удерживать в связанном состоянии. Поэтому возникла необходимость дополнить каким-то образом материальную массу, поскольку вещественная масса содержит всего 4% от общей массы всей Вселенной, которая была бы способна обеспечить гравитационную стабильность нашего Мира.

Так уже несколько веков назад возникло первое упоминание о "Темной Материи", и впервые ее сумел некоторым образом описать в 1920 году Фриц Звяке. Однако, это описание не носило научного характера, не было основано на фундаментальной теории, имело чисто гипотетический характер.

И вот в наши дни американскими учеными Пирстоном и Острайкером предложена такая модель Вселенной, которая могла бы обеспечить ее устойчивость, исходя из дополнения всего пространства Темной материей. Если ранее предложенные математические модели показывали неустойчивость системы, которая стремилась немедленно распасться, то после введения понятия темной материи, которая составила 96% от общей массы Вселенной, позволила получить модель устойчивой системы. При этом она проявила характер устойчивости даже при условии учета теории Большого Взрыва и применения модели расширяющейся Вселенной.

Но эта идея не всем ученым пришлась по вкусу. Это не удивительно, поскольку всегда имеется возможность не соглашаться с предлагаемыми постулатами, ибо любая парадигма не может быть совершенна и окончательна в смысле фундаментальности. Ученым не нравилась идея модели Звеке, и они не соглашались с его результатами, хотя и не находили разумных и категоричных возражений. Они просто считали, что подобная мысль слишком спекулятивна. Мир не был готов воспринять идеи Острайкера о темной материи. Однако, благодаря работам ученой - астрофизика Веры Рубен, которая работала в институте Карнеги, ситуация резко изменилась.

Работая в обсерватории, она отошла от своих первоначальных исследований в области Черных Дыр и обратила внимание на целые Галактики. Исследуя последние, она натолкнулась на нечто более фундаментальное. Вот уже более 300 лет физики ведут практическую проверку законов Ньютона. Всеми движениями тел во Вселенной управляет гравитация. Формулы движения космических тел отлично описываются законами Ньютона, например, движение небесных тел Солнечной Системы, где планеты удерживаются на своих орбитах силами гравитации.

Величины скоростей планет даны в земных годах орбитального вращения. Чтобы получить значения линейных скоростей в километрах необходимо сделать перерасчет через соответствующие величины орбит планет.

Если построить график зависимости скорости движения планет от их расстояния от Солнца от Меркурия до Плутона (см. рисунок), то будет видно, что Меркурий вращается на много быстрее, чем Плутон. Этот график называют кривой вращения планет. Он наглядно иллюстрирует закон тяготения, согласно которому, чем дальше от Солнца, тем слабее притяжение.

Галактики устроены примерно так же, как наша Солнечная Система. Только в спиральной Галактике вокруг гравитационного центра, роль которого выполняет гигантская Черная Дыра, вращаются звезды. В 70-х годах ХХ-го века В. Рубен стала изучать кривые вращения звезд в Галактиках. Она обратила внимание на края Галактики, поскольку известно, что этим вопросом никто не занимается. Была зафиксирована ближайшая к нам галактика Туманность Андромеды, и для нее построен график движения звезд (кривая - 2). Ей удалось обнаружить, что с удалением звезд от центра вращения их скорости не уменьшаются, то есть, их скорости такие же, как у звезд, ближайших к центру. Это факт оказался неожиданным, и его следовало объяснить.

Казалось, что звезды в галактике нарушают закон тяготения. Скорости их орбитального движения оказались совсем не такими, как следовало из Закона Всемирного Тяготения. Если мы измерим скорости движения звезд по их галактическим орбитам, то обнаружим, что эти скорости постоянны везде, во всей области наблюдений. Это шло в разрез с тем положением, которое имеет место в Солнечной Системе, и с законами Ньютона. Эти скорости должны были снижаться к периферии. Стало очевидно, что наше старое представление о галактиках неверно.

Скорости вращения звезд в Галактиках слишком большие. По всем законам орбитального движения они при таких скоростях должны были бы улететь в космическое пространство, оторваться от центра галактики, система при таких условиях движения не может быть устойчивой. Следовательно, их удерживает на орбитах какая-то дополнительная материя. Если повезет, то обнаружится, что этой материи обнаружится ровно столько, чтобы обеспечить недостающие гравитационные силы. Такое соответствие должно быть установлено в пространстве. Эти работы В. Рубен стали тем поворотным моментом в астрофизике, начиная с которого представление о Темной Материи стало широко использоваться, как некоторая фундаментальная гипотеза.

Наука натолкнулась на головоломку. Чего-то в этой гипотезе не доставало. С одно стороны, во Вселенной не хватает массы, чтобы удерживать ее физические объекты вместе, обеспечивать устойчивость системы. С другой стороны, Вселенная существует и не распадается.

Однако следует вспомнить, что существует парадигма, согласно которой Вселенная расширяется, и скорость расширения постоянно возрастает. Такой процесс мы рассматриваем как последствие Большого Взрыва. Но возможно, мы здесь опять же что-то недоучитываем, так как в любую теорию, любую гипотезу при подробном рассмотрении обязательно вклиниваются новые вопросы, новые неточности.

Кроме того, говоря о суммарной массе, участвующей во вращательном движении Галактик, следует учитывать тот момент, что наша оценка массы эквивалентной, центральной Массивной Черной Дыре абсолютно не определена. Та методика определения этой массы, которая предлагается современной астрофизикой, никак не может быть принята однозначной.

Наука приготовила ответ на вопрос о Темной Материи. Темная Материя Пирстона-Острайкера, в некотором смысле, ставит все на место, а благодаря В. Рубен, эта идея стала очень популярной. Всеми, кто занимается астрофизикой, овладела новая идея. Темная Материя стала новой парадигмой. Но оставалась одна маленькая проблема. Никто никогда не видел темную материю. Профессор Солт Уолтер из Калифорнийского университета говорит, что существуют два артефакта, которые известны о Темной Материи.

Во-первых, у темной материи есть масса, которая гравитационно взаимодействует с другими массами. Так что мы ищем что-то тяжелое.

Во-вторых, нам известно, что эта масса может быть очень велика, поскольку та масса, которой обладают звезды и другие материальные тела Вселенной, составляет лишь 5% той массы, которая могла бы удерживать звезды внутри галактики.

Кроме этого, мы ничего не знаем о Темной Материи.

Теперь задача состоит в том, чтобы понять, что же такое Темная Материя, и здесь открывается большой простор для поисков. Сам по себе термин "Темная Материя" звучит экзотически. Астрономы измерили массу газовых облаков, планет, погасших звезд, всего того, что существует в космосе и не светится для того, чтобы идентифицировать темную материю. Однако, гравитационного вещества по-прежнему не хватало.

К началу 90-х годов даже самые сильные оценки давали менее 10% той массы, которая необходима для соответствия результатам экспериментов. И если темная материя не создается обычными объектами, которые можно увидеть, то, видимо, должно быть нечто, что абсолютно не видимо и может быть обнаружено лишь через косвенный эксперимент. Для этого совершенно не достаточно возможностей прежних телескопов.

Профессор Рикардо Дреонванелли (Корнуэльский университет) использовал для экспериментов радиотелескоп в Пуэрто-Рико, что позволило расширить частотный диапазон исследуемых сигналов. Он является опытным экспертом по наблюдениям за недоступными для изучения другими астрономами областями Вселенной. Для этого ему недостаточно обычных телескопов. Это позволяет ему изучать в космосе те явления, которые не фиксируются в световом диапазоне частот.

Радиотелескоп в Пуэрто-Рико называют самым большим ухом в мире. Его тарелка собирает радио волны, распознаваемые мощным приемником. Здесь Рикардо и его коллеги создают современную картину Мира на основе данных о Водороде, самом распространенном элементе нашей Вселенной. Поэтому телескоп можно использовать для определения его количества и структуры излучения Вселенной в целом. Когда были закончены эксперименты, то было обнаружено, что в самых удаленных областях Галактики, в которых уже нет никаких звезд, а только содержится один водород в виде газовых облаков, происходит нечто удивительное. Газ там движется также быстро, как и звезды во всей Галактике. Газ, состоящий из водорода, как будто вращается какой-то невидимой силой. Создается такое впечатление, что темная материя является некоторым нимбом, окружает галактику в целом и все, что в ней содержится, включая нашу Солнечную Систему и Землю.

Но и этого газа недостаточно для описания всеобщего вращения. Следовательно, должна существовать какая-то форма материи, называемая неварионной. Без атомная форма материи, но, тем не менее обладающая массой. Все свидетельствует в пользу одного утверждения: темная материя не состоит из атомов, как вся вещественная материя. Так что необходимо искать нечто, что не состоит из атомов, но обладает массой, присутствующее везде, но невидимое для нас.

Наука должна совершенно по-новому взглянуть на Мир и найти совершенно новый тип материи. Для этого необходимо по иному подойти к исследованиям. В глубинных шахтах Земли работают ученые, охотники за темной материи, в том числе астрофизик-экспериментатор профессор Тим Санпер. Он стремится создать возможности для идеальных, "стерильных" условий, обеспечивающих чистый эксперимент. Частицы, которые способны долететь из космоса и которые имеют все проникающие свойства, наши ученые называют "нейтрино". Та форма материи, которую ищут, являются совершенно новым семейством частиц. Ученые считают, что они существуют, поскольку их предсказывают многие физические теории. Ученые США называют эти частицы нейтролино. Они могут существовать везде и обеспечить во Вселенной недостающую гравитацию.

Но, если такие частицы действительно существуют, то они должны без препятствий проникать везде через вещественную материю, состоящую из атомов. Но именно этот факт препятствует наблюдению этих частиц, ибо они могут проникать незамеченными через любой детектор, построенный на базе современных технологий.

Необходимо обнаружить такую частицу, которая будет очень слабо действовать на наши мишени, и не будет менять их состояние, если их взаимодействие произойдет. По поиски темной материи не дали положительных экспериментальных результатов. Экспериментальное обнаружение Темной Материи, основанное на теоретических исследованиях, безусловно, стало бы величайшим открытием в физике. Как в физике, и так и космологии эта проблема настолько фундаментальна, что ответ на этот вопрос стал бы колоссальным событием в науке. Но пока эта материя ни в какой форме не обнаружена. И многие ученые считают такой поиск пустой тратой времени. Теоретически предсказанное явление в виде Темной Материи не доступно для сегодняшней экспериментальной базы. Ее надо совершенствовать, либо искать иные способы постановки физического эксперимента. Ведь возможны косвенные или наблюдательные эксперименты. Теория должна, прежде всего, предоставить физикам неопровержимые однозначные научные выводы.

Для ученых тот факт, что Темная Материя до сих пор не найдена, означает лишь то, что найти ее очень трудно. При этом, другие ученые считают, что нет необходимости искать темную материю в недрах галактик, а надо лишь модифицировать законы физики, считая законы Ньютона неточными. Наблюдаемые кривые вращения космических тел с точки зрения Законов Всемирного Тяготения совершенно бессмысленны, если не ввести дополнительную гравитацию. Это можно сделать двумя способами: либо учесть Темную Материю, либо считать, что обычная гравитация в областях пространства становится больше. Однако не так часто случается, чтобы законы физики не работали. Опровергать Ньютона опасно, надо искать какие-то уточнения, граничные условия на исходные данные. Поэтому Милли Кром разрабатывает гипотезу нового закона гравитации на основе строгих математических построений, стараясь убедить остальной научный мир в своей правоте.

В 1981 году ученый Кром представил свою теорию по вопросам гравитации и темной материи. Однако, ученый мир встретил ее отрицательно. В то время изменение гравитации воспринималась как слишком радикальная концепция, а понятие Темной Материи, несмотря на его экстравагантность, вызывала намного больший интерес. Теперь у астрономов возникла необходимость решить глобальную загадку Вселенной. И М. Кром представляет свою теорию как способ разобраться в том, как работает Вселенная.

За последние годы в вопросе понимания законов Вселенной заметен существенный прогресс. Сегодня мы имеем самосогласованную картину развития нашего мира, начиная с момента Большого Взрыва и до нынешнего времени, когда существует множество галактик, в одной из которых находится Солнечная Система. Профессор Френк, как и другие космологи, хочет узнать историю эволюции всей Вселенной, и теория Темной Материи его весьма интересует. Сложнейший вопрос состоит в том, чтобы подсчитать, сколько во Вселенной имеется Темной Материи. Как это можно узнать, ее же видно. Необходимо обратиться к косвенным аргументам, и они должны быть очень весомыми. Одним из них является теория Большого Взрыва, которая теоретически предсказывает общую массу современной Вселенной.

К стати следует отметить, что теория Большого Взрыва также не вышла на уровень окончательного постулата. По этому вопросу идет много споров. Ряд ученых считает нашу вселенную многослойной и пульсирующей (об этом подробно говорится в другом разделе).

Как уже говорилось, оценка массы вещества во Вселенной дает нам всего 4% от той, что предсказана теорией Большого Взрыва. Тогда теоретически на долю Темной Материи остается 96% материальной массы. В начале 90-х годов прошлого века начались экспериментальные попытки получения точного значения массы Темной Материи. Когда был поставлен такой вопрос (А. Карлос), то результат получился катастрофический. Ее количество оказалось составляет не более 25% общей массы. То есть Темной материи получилось почти в 4 раза меньше, чем необходимо для существования Вселенной, как устойчивой системы. То есть получилась бессмысленная с точки зрения фундаментального знания картина Мира.

Создавалось впечатление, что мы пропускаем что-то очень важное, что делает нашу Вселенную простой и элегантной. Когда космология посчитала картину Вселенной очевидной, возникла дыра в виде 70% недостающей массы. С тех пор как понятие Темной Материи появилась в космологии, оно превратилось в сугубо теоретическую и ничем не неопределяемую физическую сущность, которая не смогла обеспечить недостающие 96% космической материи (энергии). Здесь следует упомянуть об эквивалентном преобразовании в природе вида энергия - материя.

В 1998 году Теория Большого Взрыва преподнесла еще один сюрприз. Соупт Мутор начал работать на одном из крупнейших телескопов, чтобы измерить скорость расширения Вселенной. В те годы ученые были уверены, что за счет гравитации скорость расширения должна была бы замедляться, так как все вещество во Вселенной взаимно притягивается. Но мы не знали, будет ли этого замедления достаточно для того, чтобы Вселенная однажды схлопнулась. Или она будет расширяться вечно, замедляя скорость расширения до бесконечно малых значений.

Профессор Перемутор измерял, с какой скоростью удаляются от нас самые близкие и далекие сверх новые звезды. Было определено, что скорость расширения Вселенной постоянно увеличивается. Это был неожиданный результат. На первый взгляд это казалось невозможным. Это противоречило основным законам физики. Ни одна из самых совершенных физических теорий не могла объяснить этого явления.

Однако, этот странный результат стал началом большого прорыва. Ведь для такого ускорения требовалась огромная энергия. Но так как энергия эквивалентна массе, то вычисления давали ровно 75% недостающей энергии Вселенной.

Недостающую энергию назвали Темной Энергией. Это и заполнило пробел в модели Вселенной. Наконец вид Вселенной по двум моделям, Темная Энергия и Большой Взрыв, совпали. Хотя следует отметить, что сущность последних двух понятий никто не может объяснить.

Так родилась новая структурная космологическая модель. Но ее появление вызвало много возражений. Дисней, крупнейший космологический скептик: " Это не доказанная теория, не позволяющая сделать никаких выводов". "Величайшим препятствием на пути научного прогресса является иллюзия того, что явление кажется понятным. Это похоже на дискуссию на тему - существует ли Бог". Но Френк Карлос создает модель Вселенной. Он убежден в том, что у него есть возможность доказать своя правоту через компьютерный аналог Вселенной. Модель Карлоса основывается на поиске условий, которые спасут Вселенную от распада. Математические модели можно было бы отбросить, если бы они не были столь изящны и убедительны. Неясная темная модель используется для успешного объяснения вполне измеряемых величин, даже форма галактики описывается с большой точностью.

Именно темная материя заставила через сближение вещества, через его концентрацию образовываться галактикам. Получается очень хорошее совпадение между моделями и реальными галактиками. То есть, компьютерная, виртуальная модель очень хорошо совпадает с реальной Вселенной.

Аргументам не хватает доказательности. Но этот пробел можно восполнить. Дейфс Мергель, лучший американский астрофизик в 2003 году проектировал спутник, с которого была запущена станция Дельта-2 для изучения процесса эволюции Вселенной. Данные, полученные со спутника, подтверждают космологическую модель Карлоса. На сегодняшний день это самая убедительная модель, где первичная материя конденсировалась из общей горячей массы. Результаты, полученные с помощью спутника, дали хорошее подтверждение универсальной модели.

На сегодня единственной альтернативой Темной Материи является положение, что теория Ньютона не верна, и гравитация не везде одинакова. Конечно, теория Темной Материи потребует серьезной ревизии нашего понимания природы. Стандартная модель Вселенной сейчас является новейшей в долгой череде идей. Окажемся ли мы тем самым привилегированным поколением, которому довелось жить в эпоху окончательного знания.

Темная материя. Темная энергия - Еще раз о Мироустройстве

Похожие статьи