Загадки темной материи

Загадочная темная материя. Изображение с сайта: www.astro.princeton.edu

Среди других астрономических наук космология стоит особняком. Это одна из древнейших наук. Достаточно вспомнить написанную на эту тему «Теогонию" Гесиода (VIII-VII века до н. э.). Космология изучает Вселенную в целом и относится к группе естественных наук. Современное научное обоснование она получила только в начале ХХ века - с появлением общей теории относительности (ОТО).

Коль скоро в основе космологии лежит теория относительности, то все эксперименты по проверке ее истинности вносят свою лепту и в обоснование космологии. Однако, имея своей основой теорию относительности, космология к ней не сводится и, таким образом, имеет собственную наблюдательную базу.

Вплоть до начала 90-х годов ХХ века наблюдательная база космологии развивалась в традиционных для всей астрономии рамках. Вводились в строй все более крупные телескопы, расширялся волновой диапазон наблюдений. Предметом исследования долгое время оставались только галактики и связанные с ними явления, например, квазары. Качественно новая эра в развитии космологии началась в 1992 году с открытием так называемого реликтового излучения (появившегося, как предполагают в момент "большого взрыва"), которое содержит информацию о многих параметрах и процессах во Вселенной. Ценность данных, получаемых при исследовании реликтового излучения, имеет большое значение еще и потому, что она несет информацию об очень ранней стадии расширения Вселенной, когда еще не существовало никаких галактик.

Классическая космология в том виде, в каком она существовала во времена Эйнштейна и Фридмана, допускала любые значения плотности Вселенной - как больше, так и меньше критического значения. Критическим значение плотности названо не случайно. Только при этом (критическом) значении пространственная кривизна Вселенной равняются нулю и основной ее параметр – барион, то есть то, из чего состоит вещество, оказывается не зависимым от времени. К достижениям в изучении Вселенной последнего десятилетия относится, в первую очередь, изменение представлений о плотности Вселенной: получены данные, что полная плотность Вселенной с высокой точностью равна критическому значению.

Это, не стало неожиданностью - большинство теоретиков рассматривало ее как наиболее вероятную еще с начала 1980-х годов, когда была предложена общепринятая ныне концепция космологической инфляции - модели очень быстрого расширения Вселенной на ранней стадии ее эволюции.

С инфляцией в экономике сталкивались все, и мало кто может сказать, что это положительное явление. С космологической инфляцией все обстоит наоборот - она успешно решила почти все проблемы классической космологии и существенно понизила актуальность двух-трех оставшихся.

То, что обычное вещество не оказывает практически никакого влияния на динамику расширения Вселенной, давно и твердо установленный факт. Еще в середине 1970-х годов исследование процессов в расширяющейся Вселенной - главным образом, процессов образования ядер дейтерия, лития, изотопов гелия с атомным весом 3 и 4 - показало, что количество образующихся ядер зависит от полного числа барионов.

Таким образом, окончательную точку в решении проблемы темной материи, взаимодействующей с барионами только гравитационно и поставили недавние исследования реликтового излучения, которые определили плотность темной материи с высокой точностью. Однако вопрос ее физической природы до сих пор остается открытым, так как экспериментально ни один вид таких частиц до сих пор не был зарегистрирован.

Вторая проблема - это сама физическая природа космологической постоянной: эквивалентна ли она той, которую ввел Эйнштейн, или это что-то иное. Доминирование во Вселенной космологической постоянной радикальным образом отражается на ее эволюции - такая Вселенная расширяется с ускорением и имеет больший возраст (со всеми вытекающими отсюда последствиями), чем Вселенная, в которой эта постоянная равна нулю.

С теоретической точки зрения наличие космологической постоянной пока не имеет серьезных или, по крайней мере, общепринятых обоснований. Скорее ее можно назвать "лишней" величиной, но наши представления о Вселенной не изменились бы кардинальным образом, если бы оказалось, что на самом деле космологическая постоянная равна нулю (или так мала, что не может быть определена при существующем уровне техники). Однако космология, как и все естественные науки, строится на фундаменте наблюдательных данных, и эти данные свидетельствуют в пользу ее значительной величины.

Мы живем в мире, динамикой расширения которого управляет неизвестная нам форма материи. Единственное, что мы достоверно знаем о ней - это факт ее существования и уравнение ее состояния вакуумоподобного типа. Нам неизвестно, изменяется ли уравнение состояния темной энергии со временем и если изменяется, то как. Это значит, что все рассуждения о будущем Вселенной по сути спекулятивны и основаны на эстетических воззрениях их авторов.

По материалам журнала «Наука и жизнь»

Оригинал статьи находится на сайте NewsInfo

Подписаться на журнал "Человек без границ"