Спросите Итана: когда появились тёмная материя и тёмная энергия?


Теоретически мы хорошо знаем всю нашу космическую историю – но только качественно. Только подтверждая и открывая при помощи наблюдений различные этапы прошлого нашей Вселенной, которые должны были происходить, мы по-настоящему начинаем понимать нашу Вселенную. У происхождения тёмной материи и тёмной энергии есть ограничения по времени, однако точный момент их появления неизвестен.

Одна из наиболее загадочных тайн Вселенной звучит просто – “куда всё подевалось?” Всё, что мы видим, находим, или всё то, что взаимодействует с нами, состоит из частиц, перечисленных в Стандартной модели, включая фотоны, нейтрино, электроны, а также строительные блоки наших атомов – кварки и глюоны. Однако при изучении космического океана мы обнаруживаем, что всё это составляет лишь 5% от общей энергии Вселенной – всего остального мы не видим. Мы называем недостающие компоненты тёмной энергией (ТЭ) (68%) и тёмной материей (ТМ) (27%), но мы не знаем, что они такое. Знаем ли мы, когда они появились? Такой вопрос задаёт наш читатель:

Сегодня нормальная материя составляет всего 4,9%, а всё остальное занято тёмной энергией и тёмной материей. А откуда они взялись?

Давайте выяснять.


Нашу космическую историю можно отследить с окончания инфляции и начала горячего Большого взрыва. ТМ и ТЭ сегодня являются необходимыми ингредиентами, однако пока нет согласия по поводу того, когда они появились.

Мы ещё очень многого не знаем по поводу ТМ и ТЭ, но уже можем рассказать о них очень много определённых вещей. Мы наблюдаем, как ТЭ влияет на расширение Вселенной, и этот эффект стал обнаружимым и заметным примерно 6-9 млрд лет назад. Его влияние кажется одинаковым по всем направлениям, а плотность его энергии не меняется со временем. Судя по всему, он не скапливается и не комкуется, а также не отталкивается от материи, что говорит о его однородности в пространстве. При изучении расширения Вселенной становится ясно, что ТЭ совершенно необходима, и в этой форме сегодня существует порядка 68% общей энергии Вселенной.


Различные судьбы Вселенной; та, что досталась нам, с ускорением расширения, показана справа. По прошествии достаточного количества времени ускорение приведёт к полной изоляции всех гравитационно связанных галактик или сверхгалактических структур, поскольку все такие структуры безвозвратно отдалятся друг от друга.

ТМ, с другой стороны, оказывала своё воздействие на протяжении всей истории Вселенной, в течение 13,8 млрд лет. Великая космическая сеть, с ранних времён до наших дней, требует существования ТМ в количестве, в пять раз превышающем количество нормальной материи. Тёмная материя комкуется и скапливается, и можно проследить её влияние на формирование ранних квазаров, галактик и облаков газа. А ещё до того гравитационные эффекты ТМ заметны по поведению самого раннего света Вселенной: реликтового излучения, остаточного свечения Большого взрыва. Рисунок его несовершенств говорит о том, что во Вселенной должно быть 27% ТМ, и всего 5% обычной материи. Без этого все наши наблюдения объяснить невозможно.


Лучшая карта реликтового излучения и наилучшие ограничения ТЭ и параметра Хаббла на её основе. В итоге мы получаем Вселенную, где есть 68% ТЭ, 27% ТМ и всего 5% нормальной материи – из этого и других свидетельств.

Но означает ли это, что ТМ и ТЭ были созданы в момент Большого взрыва? Есть ли другие возможности? Проблема с наблюдением Вселенной состоит в том, что мы можем видеть только те её части, что доступны нам сегодня. Если эффект слишком мал – когда, например, другие эффекты влияют гораздо сильнее – мы можем лишь делать умозаключения, но не твёрдые выводы.

В особенности трудно работать с ТЭ. С расширением Вселенной она разрежается; объём увеличивается, а количество частиц внутри неё остаётся тем же самым. Плотность материи (нормальной и тёмной) падает; плотность излучения падает ещё быстрее (поскольку падает не только количество частиц, но и энергия фотонов, из-за красного смещения); плотность тёмной энергии остаётся постоянной.


Если материя и излучение становятся менее плотными с расширением Вселенной, благодаря увеличению её объёма, то ТЭ – это форма энергии, присущей самому пространству. Поскольку в расширяющейся Вселенной создаётся новое пространство, плотность ТЭ остаётся неизменной.

Возможно, сегодня во Вселенной и доминирует ТЭ, но это произошло относительно недавно. В прошлом Вселенная была меньше и плотнее, поэтому плотности материи (и излучения) были гораздо выше. Порядка 6 млрд лет назад плотность материи и тёмной энергии были равны; порядка 9 млрд лет назад плотность ТЭ была достаточно малой для того, чтобы её влияние на скорость расширения Вселенной было незаметным. Чем дальше мы экстраполируем в прошлое (или по размеру/масштабу Вселенной), тем сложнее увидеть и измерить влияние ТЭ.


Голубая область обозначает возможные неточности в определении плотности ТЭ в прошлом и будущем. Данные свидетельствуют о наличии истинной космологической константы, но возможны и другие варианты. Чем меньше становится важной материя, тем больше ТЭ занимает приоритетное положение. Однако на ранних стадиях гораздо труднее обнаружить ТЭ, бывшую тогда менее важной.

Наилучшие из измерений говорят о том, что плотность энергии у ТЭ абсолютно не меняется. Мы можем использовать имеющиеся данные для ограничения уравнения состояния ТЭ, которое мы можем параметризировать величиной w. Если ТЭ в точности является космологической постоянной, тогда w = -1, и со временем не меняется. Мы использовали весь набор космологических данных – от крупномасштабных структур и реликтового излучения до объектов на гигантских расстояниях – чтобы ограничить w как можно лучше. Самые строгие ограничения дают барионные акустические осцилляции, и они говорят, что w = – 1,00 ± 0,08, а будущие обсерватории, например, LSST и WFIRST, уменьшат погрешность до 1%.


Изменение плотностей излучения (красный), нейтрино (пунктир), материи (синий) и тёмной энергии (точки) во времени. В новой модели ТЭ заменяет сплошная чёрная линия, которая неотличима при наблюдениях от ТЭ, о существовании которой мы предполагаем.

Оплатите подписку, и реклама отключится

Это не означает, что ТЭ всегда существовала с постоянной плотностью энергии. Она может меняться со временем, просто в пределах наблюдаемых ограничений. Между ТЭ и изначальным расширением Вселенной до Большого взрыва, известным, как космическая инфляция – в этом состоит идея теории поля квинтэссенции. Или ТЭ может быть явлением, не существовавшим на ранних этапах жизни Вселенной, и проявившимся только в позднее время.

У нас нет свидетельств отсутствия или наличия ТЭ в первые 4 млрд лет существования Вселенной. Есть убедительные основания предполагать, что она не менялась, но они не поддерживаются наблюдениями.


Для объяснения всех наблюдений Вселенной крупнейших масштабов, от реликтового излучения и космической сети до скоплений галактик и отдельных галактик, требуется ТМ. Она нужна и крупномасштабным структурам, и зёрнам этих структур в реликтовом излучении.

С другой стороны, ТМ должна была существовать с самых ранних этапов. Структура флуктуаций в реликтовом излучении – самое раннее свидетельство существования ТМ в нашей Вселенной, датируемое 380 000 годами с момента Большого взрыва. И в пиках и провалах угловых масштабов флуктуаций содержится неопровержимое доказательство того, что тёмной материи должно быть в 5 раз больше нормальной. ТМ не только обеспечила зёрна будущих структур, которые заставляли всё больше ТМ падать в регионы повышенной плотности (и исчезать из регионов с пониженной), но и делала это с самых ранних этапов существования Вселенной.


Относительные высоты и расположение акустических пиков, взятое из данных по реликтовому излучению, определённо совпадает со Вселенной, содержащий 68% ТЭ, 27% ТМ и 5% нормальной материи. Отклонения сильно ограничены.

Это не обязательно значит, что ТМ существовала в момент горячего Большого взрыва. ТМ могла появиться в момент окончания инфляции; она могла появиться из-за высокоэнергетических взаимодействий, происходивших сразу после этого; она могла появиться из высокоэнергетических частиц в самом верху шкалы теории великого объединения; она могла появиться из-за разрушения симметрии (такой, как симметрия Печчеи — Квинн) чуть позже; она могла возникнуть из правосторонних нейтрино Дирака, когда они приобрели сверхвысокую массу благодаря космическому возвратно-поступательному механизму; они могли оставаться безмассовыми до тех пор, пока не разрушилась электрослабая симметрия, что можно связать с ТМ.


Иллюстрация схем скоплений, происходящих из-за барионных акустических осцилляций, в результате которых вероятность найти галактику на определённом расстоянии от любой другой галактики определяется взаимоотношением ТМ и нормальной материи. С расширением Вселенной это характерное расстояние также расширяется, что позволяет нам измерять постоянную Хаббла, плотность ТМ и даже скалярный спектральный индекс. Результаты совпадают с данными реликтового излучения и наличием 27% ТМ во Вселенной, и всего 5% нормальной материи.

Точно не зная, что собой представляет ТМ – и частицы ли это вообще – мы не можем с какой-то определённостью сказать, когда она могла появиться. Но из измерений крупномасштабных структур Вселенной, включая их следы на самой ранней из картин, мы можем совершенно определённо заключить, что ТМ появилась на самых ранних этапах Большого взрыва, и, возможно, в самом его начале. ТЭ могла тоже существовать всё время, или же появиться гораздо позже; сейчас всерьёз изучают теорию того, что ТЭ появляется и становится влиятельной только после появления сложных структур.


Относительная важность ТМ, ТЭ, нормальной материи, нейтрино и излучения. Сегодня доминирует ТЭ, однако на ранних этапах она была пренебрежимо малой. ТМ была очень важной чрезвычайно долгое время, и мы можем найти свидетельства её влияния по самым ранним сигналам Вселенной.

Часть сложной задачи современной космологии состоит в том, чтобы раскрыть природу этих недостающих компонентов Вселенной. Если мы сможем это сделать, мы начнём понимать, когда и как появились ТМ и ТЭ. Определённо мы можем сказать лишь, что на самых ранних этапах доминирующим компонентом Вселенной было излучение, а также что в ней всегда присутствовало небольшое количество нормальной материи. ТМ могла появиться в самом начале, или же чуть позже, но всё равно достаточно рано. Сейчас считается, что ТЭ была всегда, но важной и обнаружимой стала только, когда Вселенной было уже несколько миллиардов лет. Задача нашего научного будущего – определить всё остальное.

Источник

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

1,973 просмотров всего, 6 просмотров сегодня

Ещё записи на эту тему

Как следующее поколение наземных супертелескопов сможет напрямую наблюдать экзопланеты... За несколько последних десятилетий количество обнаруженных и подтверждённых внесолнечных планет выросло экспоненциально. В настоящее время подтверждено существование 3778 экзопланет в 2818 планета...
Спросите Итана: откуда берётся “энергия” в тёмной энергии?... Чем дальше мы заглядываем, тем ближе то, что мы видим, оказывается к Большому взрыву. Текущий рекордсмен среди квазаров виден нам таким, каким он был, когда Вселенной было всего 690 млн лет. А ещё э...
Самое важное изображение в рентгеновских лучах всех времён доказало существование тёмной материи... Карта гравитационного линзирования (синяя), на которую наложены оптические и рентгеновские (розовые) данные по скоплению галактик Пуля. Несовпадение положения рентгеновских лучей и предполагаемой ма...
Чёрные дыры, проглатывающие звёзды, делятся своими секретами посредством экзотических световых шоу... Иногда чёрные дыры обнаруживают себя, когда их гравитация разрывает пролетавшую мимо звезду. Эти события привели к появлению нового способа разметки скрытого космоса астрономами Чёрные дыры очень...