Темная энергия и темная материя

О существовании темной энергии догадались в 1998 г. американские и австралийские ученые. Наблюдая за взрывами старых выгоревших звезд, они обнаружили, что светила, судя по яркости вспышек, находятся не так близко, как могли бы, если бы исправно исполняли ньютоновский закон всемирного тяготения — то есть притягивались к другим объектам тем сильнее, чем короче между ними дистанция. Значит, заключили ученые, в космосе действует еще какая-то сила, противодействующая гравитации и разгоняющая небесные тела в разные стороны. Эта сила за свою загадочность и неизученность получила название «темная энергия».

Заинтересованные этим открытием, астрофизики всего мира стали внимательнее присматриваться к сверхновым звездам и изучать тепловой спектр реликтового излучения, демонстрирующий перераспределение на небе горячих и холодных областей (вспомните, как зверь в фильме «Хищник» видел главного героя). Исследования показали, что Вселенная расширяется стремительнее, чем предполагалось, и что ее пространство как бы выравнивается — словно много миллиардов лет назад это была скомканная бумажка, которую постепенно разглаживает невидимая рука (небольшие «вмятины» от небесных тел не в счет: на большом плоском полотне космоса они почти незаметны). Роль невидимой руки могла исполнять лишь невесть откуда взявшаяся энергия, которой должно было содержаться больше, чем остальных видов. Ведь чтобы галактики держались на почтительномрасстоянии одна от другой, более того — отдалялись, спасая Вселенную от гравитационного сжатия, количество энергии от всей известной материи должно составлять не более трети, а остальные две трети следует «отписать» темной энергии.

По поводу природы этой «темной лошадки» ученые выдвигали и выдвигают разные версии. Например, одни предполагают, будто гравитация на очень больших расстояниях не притягивает, а отталкивает тела — вот они и разбегаются, расширяя пространство. Другие высказывают догадку, что при достаточном отдалении объектов между ними возникает доселе не изученное взаимодействие, не относящееся ни к гравитационному, ни к электромагнитному. Эта сила направлена обратно гравитации, но пока непонятно, постоянно она действует или периодически. В первом случае Вселенной грозит расширение и охлаждение до того предела, когда наступит кромешная тьма и остановка всех процессов; во втором случае космическое пространство будет то раздаваться, то снова съеживаться. Еще одна гипотеза основана на так называемых флуктуациях: ткань пространства-времени бурлит, растягиваясь и сжимаясь в каждой микроточке, вследствие чего выделяется дополнительная энергия, которая и распирает Вселенную во всех направлениях. Ну а некоторые астрофизики говорят о частицах — переносчиках энергии: якобы гравитация распространяется посредством гравитонов, а темную энергию несут в себе частицы темной материи.

Собственно, о существовании этой материи — невидимой и неизвестной — ученые догадались в 30-х годах ХХ в. Именно тогда американо-швейцарский астроном Фриц Цвикки (1898–1974) обратил внимание на то, что галактики в скоплении Волосы Вероники недостаточно массивны, чтобы держаться вместе. Скопление выглядело абсолютно устоявшимся и стабильным: галактики двигались с постоянной скоростью, отвечающей расстоянию между ними, направление их вращения тоже было согласованным, но относительно небольшая масса не могла обеспечить им необходимой силы тяготения. Напрашивался вывод: в Волосах Вероники прячется еще какая-то материя, которая обладает собственной массой и гравитацией и стягивает галактики между собой. Назвав эту материю темной (Dunkle Materie), Цвикки рассказал о ней другим ученым, но те не приняли его открытие всерьез. Думали — может, Цвикки неверно рассчитал массу светил в галактиках или последние отдаляются друг от друга… Однако подобные нестыковки возникали и с другими скоплениями: иногда лежащие за ними галактики внешне настолько искажались, что было ясно — вещество внутри скопления весит гораздо больше, чем кажется. Из-за этого в научном мире даже поползли слухи о неких таинственных космических силах.

Сорок лет спустя подобные слухи частично были развеяны Верой Рубин (1928–2016). Американская ученая вычисляла скорость, с которой двигаются звезды и межзвездное вещество вокруг ядра галактики, и определила, что с отдалением от центра количество звезд и газа уменьшается, однако даже на самом краю объекты двигаются так же быстро, как в центре. Это означало, что на окраине галактики присутствует какое-то незримое вещество с высокой плотностью и массой, причем видимых тел должно быть вдесятеро меньше, чем материи-невидимки. И Рубин поняла: ей удалось обнаружить темную материю. Правда, кто-то еще пытался возражать, аргументируя это тем, что в космических масштабах ньютоновские законы могут не действовать и что скорость объектов с увеличением орбитального радиуса не обязана уменьшаться. Но факты упрямо доказывали обратное.

Изучение теплового спектра реликтового излучения, рожденного на заре нашей Вселенной, когда она была еще очень горячей и плотной, показало: температура лучей, а значит, и вещество в пространстве распределено неравномерно. Когда реликтовые лучи проходят через какую-либо галактику, горячий газ поднимает их температуру, и на спектре появляется красное пятно или линия. А вот синие и зеленые пятна свидетельствовали о том, что во Вселенной около 23 % холодной темной материи. Кроме того, реконструкция процесса образования первых галактик продемонстрировала: сила, с которой частицы видимого вещества разлетались в расширяющейся Вселенной, была в разы больше, чем сила гравитации. То есть сами по себе эти частицы не могли собраться в звезды и галактики — им требовалась дополнительная масса, и ее роль, скорее всего, сыграли невидимые частицы темной материи. Предположительно именно они образовали основу первых звезд, а уже потом к ним подтянулись видимые элементы.

Дальнейшие исследования навели ученых на мысль, что темная материя не похожа ни на один другой вид материи: и звезды, и черные дыры, и даже газ можно увидеть и «пощупать», а эта загадочная субстанция невидимая, неощутимая, всепроникающая — и в то же время очень массивная. Наблюдая за скоплением Пуля, астрономы выяснили, что оно образовалось при столкновении двух разных скоплений галактик: звезды успешно обошли одна другую, газовые облака смешались и сконцентрировались в центре, а темная материя незаметно рассредоточилась по краям, прибавив скоплению лишнего веса.

Не так давно была разработана новая модель горячей Вселенной — «космическое согласие». Она включает три компонента: барионную материю (то есть звезды, планеты и другие видимые тела, а также газ), состоящую из известных химических элементов; темную материю, сложенную из неизвестных массивных частиц, не взаимодействующих между собой; и темную энергию, природа которой до сих пор не изучена. Если видимой материи во Вселенной всего 4 %, то невидимой — 25 %, а темной энергии вообще 75 %! Распределяясь равномерно, она заполняет почти все космическое пространство.