Почему мы думаем, что темная материя и темная энергия существует?

Ученые считают, что нам известно только около 5% вещества, из которого состоит Вселенная. Да, вы правильно читаете. Космологические модели показывают, что невидимая энергия и материя должны вместе составлять 95% Вселенной, чтобы она работала в соответствии с существующими теориями. Невидимая часть Вселенной состоит из двух компонентов: темной энергии и темной материи.

Последнее несколько менее загадочно, и ученые вполне уверены в его существовании: без него законы гравитации просто не работали бы. Галактики, какими мы их видим, не смогли бы собраться до своих нынешних размеров за время, прошедшее с момента Большого взрыва, если бы существовала только видимая материя.

На самом деле, многие галактики даже не удерживались бы вместе, если бы гравитация видимой материи была единственной силой, стягивающей их вместе. Новый европейский космический телескоп Euclid попытается нанести на карту это невидимое вещество, но что, если его результаты не оправдают ожиданий? На карту поставлено многое, включая знаменитую и широко принятую общую теорию относительности Эйнштейна.

Первые наблюдения, свидетельствующие о том, что во Вселенной должна преобладать темная материя, чтобы вещи не разлетались, были сделаны в 1930-х годах. С тех пор астрономы обнаружили, что эта невидимая темная материя должна составлять не менее 85% всей материи во Вселенной.

Ученые десятилетиями пытались обнаружить эту невидимую материю, которая, по их мнению, должна состоять из каких-то частиц, может быть, родственных инертным нейтрино, которые почти не взаимодействуют с видимым миром. Однако с темной энергией дело обстоит сложнее. Открытие этой неуловимой силы датируется 1998 годом, когда астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется.

Само расширение изначально было вызвано энергией Большого взрыва, но поскольку Большой взрыв произошел так давно (точнее, 13,8 миллиарда лет назад), это расширение должно замедлиться. Чтобы решить эту загадку, теоретики предположили, что должна существовать какая-то таинственная сила, темная энергия, которая действует против гравитации и разрывает материю на части.

По данным НАСА, космологические модели показывают, что темная энергия составляет 68% всей энергии в космосе. Но астрономы признают, что доказательства его существования немного расплывчаты. «[Ускорение расширения] Вселенной не имеет смысла, если вы думаете, что там есть только гравитация», — сказала Изобель Хук, профессор астрофизики Ланкастерского университета в Великобритании и ученый-евклид.

«Она не должна замедляться. Поэтому тот факт, что мы наблюдаем, как она ускоряется, означает, что должно быть что-то еще. И мы просто называем это темной энергией, потому что на самом деле мы вообще не знаем, что это такое». Крюк был членом команды, сделавшей это открытие в 1998 году, и с тех пор, как и многие другие ученые, задавался вопросом, что на самом деле может быть эта темная энергия. «Мы действительно не знаем, — сказала она.

«Лучшая теория состоит в том, что это, вероятно, какое-то свойство самого пространства, вроде энергии, которая всегда и везде, но нет никакого объяснения тому, что это должно быть». Модели показывают, что эта энергия должна быть равномерно распределена по Вселенной и что она всегда имела одинаковую силу.

В первые дни существования Вселенной эффекты темной энергии не были столь заметны, потому что первоначальный «толчок» Большого взрыва приводил к большей части расширения Вселенной. Однако около 5-6 миллиардов лет назад темная энергия стала «преобладающей силой, действующей против гравитации как нормальной, так и темной материи», — сказал Джузеппе Ракка, руководитель проекта Euclid в Европейском космическом агентстве (ЕКА). ком «Немного тревожно, что эта энергия имеет постоянную плотность по мере расширения Вселенной», — сказал Ракка.

«Это означает, что [дополнительная] энергия создается, потому что плотность постоянна. Она не разбавляется расширением Вселенной. Таким образом, это означает, что есть дополнительная энергия». Однако существует также вероятность того, что такой вещи, как темная энергия, в конце концов не существует, и что космологические модели, требующие ее существования, ошибочны.

Эти модели основаны на общей теории относительности Альберта Эйнштейна, которая описывает физические «правила» Вселенной в виде ряда уравнений. Если будущие наблюдения с помощью телескопа Евклида (и других будущих телескопов, предназначенных для изучения темной энергии) предполагают, что темная энергия не является такой постоянной и вездесущей силой, это будет означать, что эта знаменитая теория не совсем верна.

«Мы знаем, что общая теория относительности очень хорошо работает на уровне системы», — сказал Ракка. «Но есть вероятность, что в космических масштабах это работает не так хорошо, и поэтому темная энергия не нужна».

Евклид будет искать доказательства темной энергии, нанося на карту распределение галактик 10 миллиардов лет назад и сравнивая, как это распределение менялось на протяжении эволюции Вселенной. Наблюдения покажут, действительно ли существует постоянная вездесущая сила в действии или, возможно, происходит что-то еще.

«Мы можем обнаружить, что не везде видим [влияние] этой постоянной энергии, но мы видим некоторые различия где-то или во времени», — сказал Хук. «Тогда все станет действительно интересным, и это действительно будет революционно, потому что нам придется полностью изменить наши теории».

И это, вероятно, означало бы Нобелевские премии для первооткрывателей. Телескопу Euclid, запущенному 1 июля ракетой SpaceX Falcon 9, потребуется шесть лет, чтобы составить карту одной трети неба за пределами нашей галактики Млечный Путь. Только тогда у астрономов будет достаточно данных, чтобы знать наверняка.