Тёмная материя и тёмная энергия

Тёмная материя в астрономии и космологии — форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Это свойство данной формы вещества делает невозможным её прямое наблюдение.

Темная материя сродни обычному веществу в том смысле, что она способна собираться в сгустки (размером, скажем, с галактику или скопление галактик) и участвует в гравитационных взаимодействиях так же, как обычное вещество. Скорее всего, она состоит из новых, не открытых еще в земных условиях частиц.

В пользу существования темной материи служат измерения гравитационного поля в скоплениях галактик и в галактиках. Имеется несколько способов измерения гравитационного поля в скоплениях галактик, один из которых — гравитационное линзирование.

Гравитационное поле скопления искривляет лучи света, испущенные галактикой, находящейся за скоплением, т. е. гравитационное поле действует как линза. Искривление света зависит от распределения массы в скоплении, независимо от того, какие частицы эту массу создают.

Измеренные подобным образом массы скоплений галактик согласуются с тем, что темная материя вкладывает около 25% в полную плотность энергии во Вселенной.

Темная материя имеется и в галактиках. Это опять-таки следует из измерений гравитационного поля, теперь уже в галактиках и их окрестностях. Чем сильнее гравитационное поле, тем быстрее вращаются вокруг галактики звезды и облака газа, так что измерения скоростей вращения в зависимости от расстояния до центра галактики позволяют восстановить распределение массы в ней. По мере удаления от центра галактики скорости обращения не уменьшаются, что говорит о том, что в галактике, в том числе вдалеке от её светящейся части, имеется несветящаяся, темная материя.

Темная энергия — гораздо более странная субстанция, чем темная материя. Начать с того, что она не собирается в сгустки, а равномерно «разлита» во Вселенной. В галактиках и скоплениях галактик её столько же, сколько вне их. Самое необычное то, что темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию. То есть она не притягивает к себе, а наоборот отталкивает.

Современными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он изменялся со временем. Так вот, астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что сегодня (и в недалеком прошлом) Вселенная расширяется с ускорением: темп расширения растет со временем. В этом смысле и можно говорить об антигравитации: обычное гравитационное притяжение замедляло бы разбегание галактик, а в нашей Вселенной, получается, всё наоборот.

Такая картина, вообще говоря, не противоречит общей теории относительности, однако для этого темная энергия должна обладать специальным свойством — отрицательным давлением. Это резко отличает её от обычных форм материи. Не будет преувеличением сказать, что природа темной энергии — это главная загадка фундаментальной физики XXI века.

Модель описания вселенной с включение в нее темной материи и темной энергии называется Лямбда СиДиЭм.

Развитие Вселенной по этой модели происходило так: сначала произошло инфляционное расширение части Вселенной - большой взрыв. Уже тогда в мире существовала та самая тёмная энергия. Но плотность обычной материи и энергии из-за малого размера вселенной была столь высока, что тёмная энергия почти не проявляла себя. Таким образом, доминирующая по плотности обычная и тёмная материя своей гравитацией замедляла расширение Вселенной. Перелом наступил примерно 7 млрд. лет назад. В это время размер вселенной стал столь велик, что плотность обычной и тёмной материи заметно упала. Поэтому, на первый план вышла тёмная энергия. Так как эта энергия ускоряет расширение вселенной, начался период, именуемый поздней инфляцией - вторичное ускорение расширения Вселенной. Не такое мощное, как большой взрыв, но всё время набирающее силу. Именно в этот период мы с Вами и живём. Также модель лямбда заставляет серьёзнейшим образом пересмотреть концепцию гибели мира. В теории большого взрыва было только два варианта "конца света" - тепловая смерть и большой коллапс. Модель лямбда дополняет этот список ещё двумя пунктами - большой разрыв и локальная тепловая смерть.

Большой разрыв - это сценарий, в котором в битве тёмной материи и тёмной энергии побеждает вторая сущность. По мере дальнейшего расширения мира и убывания плотности тёмной материи, Вселенная будет ускоряться всё больше. А значит, горизонт событий - поверхность, за пределами которой объекты движутся быстрее света из-за расширения - будет всё ближе к наблюдателю. Так как между объектами, двигающимися друг относительно друга быстрее света, не может быть никакой причинной связи то область, в которой события останутся причинно связными, будет сокращаться, пока не достигнет размеров, сопоставимых с размерами элементарных частиц. Тогда ни одна частица не сможет взаимодействовать ни с одной другой. А без взаимодействия, нет и материи. Это и будет конец. Данная модель отводит нашему миру ещё несколько десятков миллиардов лет жизни.

Локальная тепловая смерть - сценарий, который реализуется в случае, если темпы инфляции не достигнут таких гигантских значений, как при большом разрыве. В данном случае горизонт событий так же будет приближаться к наблюдателю, но не столь быстро, как в первой ситуации. Гравитация, всё же, окажется сильнее инфляции, что приведёт к тому, что за горизонт событий уйдут лишь те объекты, до которых тяготение "не дотягивается" (далёкие галактики и их скопления).

Те же системы, которые поддерживаются более-менее устойчивой гравитационной связью, останутся стабильными. Но расширение Вселенной продолжится, пусть и не ускоренное. То есть, в гравитационно связанных системах расширение почти не будет отличаться от того, что предсказывалось прежней моделью. А раз так, то и умрут они в точности, как предсказывала старая концепция - тепловой смертью, от бесконечно нарастающей энтропии. Разница только в том, что если прежняя модель предсказывала такую смерть всему миру, то новая - только небольшим его областям. Остальные останутся жить. В прочем, ненадолго: со временем энтропия погубит и их.

Стоит отметить, что две эти модели - большой разрыв и локальная тепловая смерть - современной наукой в свете открытия тёмной энергии представляются более вероятными, чем большой коллапс и тепловая смерть в старом смысле. Однако, вопрос о том, какая концепция истинна, окончательно ещё не решён. Для ответа необходимо точно выяснить распределение плотности тёмной материи и тёмной энергии во Вселенной. И только тогда можно будет поставить точку в этом вопросе.