Чего мы не знаем. Из чего сделана Вселенная

В журнале Science от 1 июля 2005 года, в честь 125-летия журнала, были опубликованы статьи, посвящённые нерешённым задачам современной науки.
http://www.sciencemag.org/site/feature/misc/webfeat/125th/
Я сначала хотел коротенько перевести это на русский, но коротенько (как всегда) не получилось. За шесть с половиной лет "25 главных вопросов" науки всё ещё остаются актуальными, но появляются некоторые новые сведения. Поэтому, то, что я в итоге выкладываю, не является переводом статьи шестилетней давности. Этот материал я понадёргал из нескольких более свежих статей.

 1. Из чего сделана Вселенная?

http://elementy.ru/lib/430380
В соответствии с законами Кеплера (а они напрямую следуют из закона всемирного тяготения), при движении от центра галактики к её периферии скорость вращения галактических объектов должна убывать обратно пропорционально квадратному корню из расстояния до центра. Измерения же показали, что для многих галактик эта скорость остаётся почти постоянной на весьма значительном удалении от центра. Эти результаты можно истолковать только одним способом: плотность вещества в таких галактиках не убывает при движении от центра, а остаётся почти неизменной. Поскольку плотность видимого вещества (содержащегося в звёздах и межзвёздном газе) быстро падает к периферии галактики, недостающую плотность должно обеспечивать нечто, чего мы по каким-то причинам увидеть не можем. Для количественного объяснения наблюдаемых зависимостей скорости вращения от расстояния до центра галактик требуется, чтобы этого невидимого "чего-то" было примерно в 20 раз больше, чем обычного видимого вещества.

О наличии скрытой массы в скоплениях галактик свидетельствуют также эксперименты по так называемому гравитационному линзированию. Объяснение этого явления следует из теории относительности. В соответствии с ней, любая масса деформирует пространство и подобно линзе искажает прямолинейный ход лучей света. Искажение, которое вызывает скопление галактик, столь велико, что его легко заметить. В частности, по искажению изображения галактики, которая лежит за скоплением, можно рассчитать распределение вещества в скоплении-линзе и измерить тем самым его полную массу. И оказывается, что она всегда во много раз больше, нежели вклад видимого вещества скопления.

Скопление галактик (в левой нижней части участка, обведенного кружком) создает гравитационную линзу. Она искажает форму расположенных за линзой объектов - вытягивая их изображения в одном направлении. (elementy.ru)

Измеренная масса видимого вещества составляет лишь 5% от массы Вселенной. Для объяснения парадокса предположили, что существует гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним, которая получила название "тёмная материя".

Известно, что тёмное вещество взаимодействует со "светящимся" (барионным) по крайней мере гравитационным образом и представляет собой среду со средней космологической плотностью, в несколько раз превышающей плотность барионов. Последние захватываются в гравитационные ямы концентраций тёмной материи. Поэтому, хотя частицы тёмной материи и не взаимодействуют со светом, свет испускается оттуда, где есть тёмное вещество. Это замечательное свойство гравитационной неустойчивости сделало возможным изучение количества, состояния и распределения тёмной материи по наблюдательным данным от радиодиапазона до рентгеновского излучения.

http://www.membrana.ru/particle/914
Невидимый компаньон Млечного Пути оказывает влияние на движение остальной материи в нашем звёздном острове. Находка позволила учёным предположить, что таких объектов-невидимок в окрестностях Галактики имеется немало и у других галактик они тоже должны быть. Теперь на вопрос "где же скрывается пресловутая тёмная материя?" можно ответить более определённо.
У Млечного Пути имеется тёмная галактика-спутник массой около 10 миллиардов Солнц. Новый объект получил наименование "Галактика Икс" (Galaxy X). Расположен он примерно в 260-300 тысячах световых годах от центра нашей родной Галактики. А на небе этот таинственный объект находится где-то в Циркуле или Наугольнике (точнее пока определить сложно).

"Галактику X" невозможно разглядеть в телескопы, хотя вскоре будет предпринята попытка поймать хоть что-нибудь от неё в инфракрасном диапазоне. Причины такой неуловимости просты. Во-первых, как считают астрономы, эта галактика состоит главным образом из таинственной тёмной материи (чем бы та ни была), а проявляет она себя только через гравитацию. Во-вторых, сейчас этот спутник расположен почти на противоположном от нас краю Млечного Пути и наблюдать за ним мешает галактический диск из газа и пыли.

Обнаружена Galaxy X косвенным путём. Её движение вызывает изменения в обширных потоках газообразного водорода, находящихся на краю Млечного Пути. Так что новичка можно представить в виде корабля-невидимки, пойманного по титаническому кильватерному следу.

Имя Galaxy X авторы находки предложили по аналогии с другим термином. Более века назад знаменитый американский астроном Персиваль Лоуэлл выдвинул гипотезу о внешней "Планете Икс" (Planet X), основываясь на расчёте слабых отклонений в движении Нептуна и Урана. Гипотеза Лоуэлла не подтвердилась (открытый позже Плутон оказался слишком лёгок, чтобы повлиять на газовые гиганты), к тому же, как стало ясно через десятки лет, в тогдашних расчётах массы и орбиты Нептуна имелись погрешности. Но сама идея поиска дальних объектов по гравитационному возмущению орбит ближних тел оказалась очень живучей, а термин "планета икс" постепенно стал использоваться как общее неофициальное имя для любой ещё не открытой планеты (или планетоида) на внешних окраинах Солнечной системы.

Находка других подобных объектов не только прольёт свет на тёмную материю. Эти данные, позволят исключить альтернативную гипотезу, гласящую, что для объяснения аномалий в движении галактик и звёзд следует не привлекать "лишнюю" массу, а корректировать сам закон Всемирного тяготения.

Распределение водорода в M51. «Водоворот» стала одной из проверочных галактик, подтвердившей действенность нового метода поиска невидимых массивных объектов. (membrana.ru)

После открытия в 1929 году Эдвином Хабблом красного смещения в спектрах удаленных галактик стало ясно, что Вселенная расширяется. Ранее существовавшие космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется. Они исходили из предположения, что основную часть массы Вселенной составляет материя - как видимая, так и невидимая (тёмная материя). На основании новых наблюдений, свидетельствующих об ускорении расширения, было постулировано существование неизвестного вида энергии с отрицательным давлением. По аналогии её назвали "тёмной энергией".

В начале прошлого века Альберт Эйнштейн, желая обеспечить космологической модели в общей теории относительности независимость от времени, ввёл в уравнения теории так называемую космологическую постоянную, которую обозначил греческой буквой "лямбда" - Л. Эта Л была чисто формальной константой, в которой сам Эйнштейн не видел никакого физического смысла. После того, как было открыто расширение Вселенной, надобность в ней отпала. Эйнштейн очень жалел о своей поспешности и называл космологическую постоянную Л своей самой большой научной ошибкой. Однако, спустя десятилетия выяснилось, что постоянная Хаббла, которая определяет темп расширения Вселенной, меняется со временем.

http://www.membrana.ru/particle/486
Наблюдения международной команды астрономов из проекта "Обзор наследия сверхновых" (Supernova Legacy Survey), кажется, показывают, что тёмная энергия очень подозрительно походит на ту самую космологическую постоянную: неизменную всюду в пространстве и во времени. Наблюдения велись на ряде телескопов в разных странах, но преимущественно - на транснациональном телескопе, расположенном на Гавайях (Canada-France-Hawaii Telescope), при помощи относительно новой камеры MegaCam, сочетающей высокое разрешение (340 мегапикселей) с широким полем зрения (площадью в четыре Луны). Такая комбинация зоркости с охватом позволила эффективно отлавливать вспышки необычайно далёких сверхновых - события весьма редкие.

И вот, измерив расстояния, яркости, кривые блеска, спектры и красные смещения у 71-й попавшейся "в сети" сверхновой, астрономы установили (с высокой степенью точности), что эффект, который оказывает тёмная энергия, не изменяется с увеличением расстояния до объекта (а значит - и по шкале развития Вселенной). Исследователи включили полученные за год работы данные в так называемое уравнение состояния, которое измеряет отношение между давлением и плотностью материи во Вселенной. Так они нашли, что тёмная энергия должна отражаться в нём в виде постоянной, которая меньше, чем "-0,85", а это число подозрительно близко совпадает с космологической постоянной Эйнштейна: "-1". Не исключено, что та самая константа "-0,85" в результате расширения базы наблюдений (числа пойманных сверхновых) в десять раз и, соответственно, уточнений расчётов "сползёт" к числу "-1", а это уже будет очень весомым доводом в пользу гениальной догадки Эйнштейна, от которой он сам отказался когда-то.

Обсерватория CFHT на Гавайях. Её новые наблюдения вскружили голову космологам. (universetoday.com)









О тёмной энергии можно сказать ещё меньше, чем о тёмной материи, хотя она, по мнению учёных составляет 65%-70% скрытой массы. Во-первых, она равномерно распределена по Вселенной, в отличие от обычного вещества и других форм тёмной материи. В галактиках и скоплениях галактик её столько же, сколько вне их. Во-вторых, она обладает несколькими весьма странными свойствами, понять которые можно, лишь анализируя уравнения теории относительности и интерпретируя их решения. Например, тёмная энергия испытывает антигравитацию: за счёт её присутствия темп расширения Вселенной растёт. Тёмная энергия как бы расталкивает саму себя, ускоряя при этом и разбегание обычной материи, собранной в галактиках. А ещё тёмная энергия обладает отрицательным давлением, благодаря которому в веществе возникает сила, препятствующая его растяжению.

http://www.membrana.ru/particle/8245
Учёные полагают, что может быть и альтернативное объяснение. Например, особенности поведения самой гравитации, проявляющиеся лишь на больших расстояниях и неизвестные науке. В частности, отталкиваясь от теории струн, на огромных расстояниях гравитация может проникать в дополнительные пространственные измерения (в дополнение к известным трём), а значит - изменять своё действие на объекты. Фактически речь идёт о модернизации стандартного закона тяготения для очень больших расстояний, подобно тому, как известные нам законы физики (их формулы) "корректируются", когда речь заходит о приближении к скорости света.

Возможный способ проверить эту гипотезу - пронаблюдать за орбитой Луны с невиданной прежде точностью. Как известно, благодаря оставленным американскими астронавтами отражателям, мы можем измерять расстояние от Земли до Луны с точностью нескольких сантиметров (по времени пробега луча лазера туда и обратно). Тонкие изменения в траектории Луны (с миллиметровой точностью) могут указать на "странное" поведение гравитации. Правда, эти новые опыты ещё должны получить финансирование. Так что неизвестно - когда такие измерения состоятся.