глава 4 Тёмная материя и Тёмная энергия Вселенной

Вселенная - это бесконечная симфония струнного оркестра.
  (неизвестный автор из интернета)

                Струны Вселенной
                глава 4
                Тёмная материя и Тёмная энергия Вселенной

- Итак... - Наташа засмеялась. - Знаешь, это слово стало нашим паролем. Согласна?
- Согласна. Итак, - теперь рассмеялась я, - там же, тогда же?
- Договорились.

Последнее время, где-то около месяца мы гуляли вместе, я и моя соседка Наташа.
Гуляли в парке, расположенном буквально в двадцати метрах от нашего дома, гуляли вместе с собачками - Наташа с годовалой Лушей, йоркширским терьером, а я с Юлькой, ретривером, игруньей и озорницей, которой восемь лет. Наши собачки дружили, играли и бегали рядом, а мы с Наташей обсуждали... и как ни странно, обсуждали мы проблемы строения Вселенной, но на своём уровне - уровне домохозяек.

Всё, что касалось Вселенной - её рождение, настоящее и будущее, какие кирпичики лежат в основе Всего, и что было в Начале - всё это давно меня страшно интересовало.
После множества просмотренных фильмов, после прочитанных и услышанных лекций известных учёных-физиков и астрофизиков, после путешествий по Интернету однажды, на одной из таких прогулок в парке я рассказала Наташе что-то, совсем немного на эту тему.
Она заинтересовалась, сама стала почитывать и просматривать Интернет, короче говоря, мы нашли друг друга.
Так возникли наши "научные конференции", как смеясь говорила Наташа, а я добавляла "конференции домохозяек", и они всегда начинались с одного и того же слова...

- ...итак,
мы узнали, что наш "скучный" четырёхмерный мир, включающий три пространственных измерения и одно временное на самом деле, согласно Теории струн и её более продвинутой версии М-теории строения Вселенной, наш мир многомерен. И на поиски дополнительных измерений настроен, в частности, Большой адронный коллайдер (БАК) под Женевой, который...

- Который является грандиознейшим и сложнейшим сооружением в истории человечества, - продолжила Наташа. - И я, честное слово, была потрясена, когда узнала, как он устроен. И восхищена людьми, построившими его.

- Учёные и инженеры не только построили БАК, но и открыли благодаря ему в 2012 году бозон Хиггса, предсказанный много лет назад. Нобелевскую премию 2013 года по физике получили Франсуа Энглер и Питер Хиггс за предсказание бозона Хиггса.

- О бозоне Хиггса мы говорили в прошлый раз. Ты обещала рассказать нечто шокирующее, - Наташа посмотрела на меня. - Мне кажется, это будет что-то невероятное.

- Именно невероятное, хотя скорее очевидное и невероятное. Очевидное, потому что многие вещи, о которых пойдёт речь, доказаны экспериментально и математически, но они настолько фантастичны и неожиданны, что представить их себе почти невозможно.

- Что же это? - спросила Наташа.

- Это таинственная Тёмная материя, которая связывает звёзды и галактики воедино, и это Тёмная энергия отталкивания, которая создаёт пространство во Вселенной, и которая раздвигает галактики всё дальше и дальше навстречу гибели. Тысячи лет мы смотрели в ночное небо и верили, что освещённое вещество было всем, что есть во Вселенной. Но настоящие тайны Неба скрыты во тьме.
Тёмная материя и Тёмная энергия вместе составляют 96% объёма Вселенной, и если раскрыть их секреты, то конечная судьба Вселенной будет известна.

- А оставшиеся 4% Вселенной - это...

- Это, - перебила я подругу, - это обычная материя, та материя, которую учёные изучили достаточно хорошо, и которая состоит из протонов, нейтронов и электронов.
Обычная материя - это всё, что нас окружает: земля и небо, реки и моря, горы, леса, звёзды и Луна, Солнце, Млечный путь и галактики, все галактики... и всё, что мы видим.
Тёмная материя не излучает и не поглощает свет, поэтому она невидима, она не взаимодействует со светом и с обычным веществом.
Миллиарды частиц Тёмной материи проходят через всё, с чем сталкиваются каждую секунду, её невидимое присутствие есть везде, но учёные пока не доказали напрямую, то есть в эксперименте, существование Тёмной материи.

- Как же можно поймать Тёмную материю, если она невидима, и если она не взаимодействует с обычным веществом?

- Предполагают, что чрезвычайно редко, один шанс на миллион или реже, Тёмная материя всё-таки взаимодействует с обычным веществом. Учёные надеются поймать частицу Тёмной материи на Большом адронном коллайдере или в одной из лабораторий, расположенных по всему миру вдали от городов и обязательно глубоко под землёй (например 800 метров) для защиты от космических лучей.
В качестве ловушки частиц Тёмной материи используются, в частности, очень чистые куски германия  (вещество с плотной кристаллической решёткой) в виде дисков диаметром около 8 см, на которых установлены термометры.
Изменение температуры говорит о столкновении ядра атома германия с частицей.
Полученные данные анализируются на мощных компьютерах.
Успех в поиске частицы Тёмной материи не только докажет её существование, но и даст ответ на многие загадки Космоса.

- Но если Тёмная материя не видна, если она не взаимодействует с обычным веществом, то как вообще решили, что она есть? - Наташа вопросительно посмотрела на меня.

- Это долгая и непростая история, которая началась 100 лет назад.
Тогда американский астроном Эдвин Хаббл потряс мир, заявив, что Вселенная - это не только Млечный путь, как думали раньше.
К тому времени технологии достаточно продвинулись, и астрономы получили инструменты, способные заглянуть глубоко в ночное небо. Они могли взять маленькие размытые пятна, которые видели в телескопы, разобрать их и понять, что они из себя представляют. Астрономы поняли, что эти маленькие размытые пятна - отдельные галактики, как наш Млечный путь.

- Сколько же галактик во Вселенной? Приблизительно.

- Точное количество галактик в наблюдаемой нами части Вселенной, - я подчеркнула это слово "наблюдаемой", - неизвестно, но учёные считают, что их порядка ста миллиардов.
Пока астрономы открывали новые галактики, профессор Фриц Цвикки из Швейцарии изучал в 30-е годы прошлого века скопление галактик в созвездии Волосы Вероники и заметил кое-что странное.
Когда он измерил, как двигались галактики, он получил оценку для массы этого скопления. Затем он сравнил её с массой, которую вы могли бы видеть, наблюдая эти галактики. И по его расчётам получилось, что должно быть в 500 раз больше освещённой массы чтобы объяснить скорости движения галактик, чтобы удерживать их на орбитах.
Что-то ещё воздействовало на их движение. Но что это было?
В 1933 году Цвикки пришёл к выводу, что в созвездии Волосы Вероники присутствует Тёмная материя - невидимая масса, обладающая силой притяжения и способная влиять на скорости движения галактик в их скоплениях.
Это было революционное открытие, которое осталось практически незамеченным.

Через 50 лет результаты и выводы Цвикки были подтверждены Верой Рубин при изучении кривой вращения галактик. Она выявила расхождение между предсказанным угловым движением галактик и наблюдаемым угловым движением. Это расхождение можно было объяснить только наличием дополнительной, невидимой массы, то есть, наличием Тёмной материи.
С тех пор учёные проанализировали сотни галактик. Результат тот же.
Галактики вращаются с большей скоростью, чем могли бы вращаться, значит, их целостность обусловлена наличием Тёмной массы.

- Таким образом, было доказано присутствие Тёмной материи в Космосе, но что такое Тёмная материя? И как можно найти невидимое? Это же всё равно, что искать человека-невидимку.

- Однако, представь себе, есть экспериментальные методы, позволяющие совершенно точно обнаруживать Тёмную материю.

- Почти не верю! - воскликнула Наташа.

- Метод, исключающий возможность ошибки в поисках Тёмной материи, называется гравитационным линзированием. Дело в том, - продолжила я, - что любая материя, видимая, невидимая, искривляет путь луча света.
Исследуя траекторию света, гравитационное линзирование выявляет скопления Тёмной материи в галактиках. Это как прожектор, высвечивающий невидимое вещество.
Исследуя полученные телескопом Хаббл фотографии, изучая искривление света, проходящего через галактики, учёные составили карту Тёмной материи и вычислили её массу во Вселенной.

- Тёмная материя, - перебила меня Наташа, - вместе с Тёмной энергией образует 96% объёма Вселенной, а на обычную, изученную материю приходится только 4%.

- Именно так. При этом Тёмная материя составляет 21%, а Тёмная энергия 75% общего объёма Вселенной.
Когда существование Тёмной материи было признано, учёные стали спорить, является ли она новой частицей или обычной, но невидимой.
Кандидат на роль частицы Тёмной материи должен обладать определёнными, уже известными физическими свойствами: быть невидимым, не взаимодействовать с обычным веществом, кроме притяжения!, и быть достаточно тяжёлым - в 100-1000 раз тяжелее протона.
Исключив все известные частицы, большинство учёных считают, что Тёмная материя является новым видом частиц, которые возникли в момент Большого взрыва.
Тёмная материя, как строительные балки, как паутина, заполняет всю Вселенную, являясь опорной рамой, к которой прикрепилась обычная материя.
О способах поиска частиц Тёмной материи мы немного поговорили вначале.

- Так нашли её?

- Пока частица Тёмной материи не обнаружена.

- Но есть ещё Тёмная энергия, составляющая 75% объёма Вселенной. Что это? И как пришли к выводу о её существовании?

- В 1929 году американский астрофизик Эдвин Хаббл обнаружил зависимость между красным смещением галактик и расстоянием до них (Закон Хаббла), это привело к созданию им Теории Расширения Вселенной.
А спустя почти 70 лет, в 1998 году группа американских учёных сделала открытие: наблюдая за сверхновыми звёздами, они обнаружили, что Вселенная расширяется с ускорением.
За это открытие Сол Перлмуттер, Брайан П. Шмидт и Адам Рисс получили Нобелевскую премию по физике за 2011 год.
Силу, вызывающую это ускорение, назвали Тёмной энергией.
Это означает, что во Вселенной существует сила отталкивания, доминирующая над гравитацией - силой притяжения.
Тёмная энергия создает пространство и воздействует на галактики, заставляя их разбегаться с ускорением, хотя сами галактики размер не изменяют.
Во Вселенной становится всё больше и больше пространства.

- Наша Вселенная пустеет, - грустно заметила Наташа.

- Пустеет, - повторила я, - она становится более разрежённой.
Тёмная энергия очень отличается от Тёмной материи.
Предположительно, Тёмная материя - это обычная материя, обладающая особыми свойствами и в то же время подчиняющаяся обычным уравнениям, когда давление пропорционально плотности и т.д.
Тёмная энергия - субстанция, которая не подчиняется обычным законам известных элементарных частиц.
Она не собирается в скопления и представляется однородной, её ускорение одинаково в любом направлении.
Тёмная энергия - это энергия вакуума, энергия пустоты.
Даже у пустоты есть энергия.
Тёмная энергия разъединяет галактики, создавая разбегающуюся Вселенную.

- Разбегающаяся Вселенная, - повторила Наташа, - звучит красиво и грустно.

- Грустно, - согласилась я. - Интересно, что в 1916 году, создавая Общую теорию относительности, Эйнштейн решил применить её на Стандартной модели Вселенной, но несмотря на все усилия, он не смог подогнать её к Вселенной.
Тогда Эйнштейн выдвинул Теорию отталкивающей энергии Вакуума, создающую равновесие во Вселенной наравне с силой притяжения. Для этого в уравнения Теории относительности он ввёл лямбда-член или Космологическую Постоянную, которую называют энергией вакуума. Это и есть Тёмная энергия.

- То есть, впервые о Тёмной энергии сказал в своих уравнениях Эйнштейн?

- Да, только назвал по-другому - Космологическая Постоянная.
Тёмная энергия существовала во Вселенной всегда, но сила притяжения Тёмной материи ограничивала её, замедляя расширение Вселенной в первые 9 миллиардов лет.
Ситуация изменилась 5 миллиардов лет назад, когда Вселенная стала уже достаточно большой.
И тогда Тёмная материя рассеялась по просторам Вселенной, а Тёмная энергия вышла из-под её притяжения. В результате Вселенная стала расширяться с ускорением.
5 миллиардов лет назад наступил момент, когда Тёмная энергия начала доминировать над материей во Вселенной.

Главная загадка Тёмной энергии - почему, составляя 75% объёма Вселенной, величина этой энергии фантастически мала, это масштаб, которого в физике частиц нет. Некоторое время считалось, что эта величина равна нулю точности.
И объяснить, почему она не ноль, а очень маленькая величина никто пока не может.
Многие называют это главной загадкой физики сегодня.

- Понять природу Тёмной энергии - значит понять не только прошлое, но и будущее Вселенной? Так?

- Именно так. Учёные только начали понимать, какую роль играет Тёмная энергия в судьбе Вселенной.
Если Тёмная энергия полностью возобладает над Тёмной материей, Вселенная вступит в эпоху экспоненциального роста, когда чем большее значение принимает величина, тем быстрее растёт.
Если Тёмная энергия не сменит свою направленность и не начнёт притягивать объекты, то за конечное время Вселенная станет бесконечно пустой.
Таков сценарий "Большого разрыва".

Мы медленно шли по аллеям парка.
С тёмного, беззвёздного неба сыпался ослепительно белый снег, было светло и уютно. Снег падал, струился под горящими фонарями, укрывал деревья, дорожки, снеговика у скамейки, снег падал на наших собачек - Лушу и Юльку, которые всю прогулку бегали недалеко от нас или шли рядом, слушая про звёзды.

- Тёмная энергия выносит смертный приговор Вселенной? Так грустно?
- Не печалься, - улыбнулась я, - у нас ещё есть время.
- Сколько?
- Каких-нибудь 40-50 миллиардов лет.
- Послушайте! - воскликнула Наташа:

     Ведь, если звёзды зажигают - **
     значит - это кому-нибудь нужно?
     Значит - это необходимо,
     чтобы каждый вечер над крышами
     загоралась хоть одна звезда?!

А потом продолжила я:

     Среди миров, в мерцании светил  ***
     Одной Звезды я повторяю имя,
     Не потому, чтоб я Её любил,
     А потому, что я томлюсь с другими.
     И если мне сомненье тяжело,
     Я у Неё одной ищу ответа,
     Не потому, что от Неё светло,
     А потому, что с Ней не надо света.

- Причём здесь стихи о любви?
- Трудно сказать...
   
информация о Тёмной материи и Тёмной энергии взята из лекций:

Валерий Рубаков - физик-теоретик, академик РАН, доктор физико-математических наук
Дмитрий Казаков - физик-теоретик, член-кор. РАН, профессор, доктор физико-математических наук
а также из Википедии и других открытых источников Интернета

 **  Послушайте! - Владимир Маяковский
***  Среди миров - Иннокентий Анненский