При всех технологических чудесах, которыми мы располагаем сегодня, возникает соблазн думать, что у нас есть все ответы. Однако реальность ситуации совсем иная: многие фундаментальные вопросы о природе Вселенной до сих пор остаются без ответа. Вот что не дает космологам спать по ночам.
Темная материя: Галактики — это странно
Мы все привыкли к тому, что гравитация удерживает все вместе — именно гравитация удерживает вас прикрепленными к Земле, Луну на орбите Земли, а Землю на орбите Солнца. Мы интуитивно понимаем взаимодействие между массой и гравитацией.
К сожалению для астрономов, с гравитацией галактик связано нечто странное.
Подобно тому, как гравитация удерживает Землю на орбите вокруг Солнца, гравитация также удерживает звезды в галактиках, вращающихся вокруг центра галактики. Используя сочетание наблюдений и теории, астрономы могут оценить, сколько массы содержит галактика, и могут оценить гравитационные силы, действующие на звезды.
Проблема возникает, когда вы начинаете смотреть на то, как быстро звезды вращаются по орбите внутри галактики. Как и планеты в нашей солнечной системе, вы могли бы ожидать, что звезды на внешнем краю галактики будут вращаться медленнее, чем те, что ближе к центру галактики. Однако это не то, что видят ученые. Вместо этого звезды вращаются примерно с одинаковой скоростью независимо от их расстояния от центра галактики. Вы могли бы увидеть, что это называется «Проблемой вращения галактики».
Учитывая движение звезд, ученые пришли к выводу, что в галактиках должна быть дополнительная материя, которую мы не можем видеть.
Ученые окрестили эту невидимую дополнительную материю «темной материей» и искали подсказки, чтобы объяснить ее с тех пор, как она была впервые предсказана. Никто не знает наверняка, что такое темная материя, но самое популярное объяснение заключается в том, что темная материя состоит из слабовзаимодействующих массивных (в любом случае массивных относительно протонов и нейтронов) частиц, или сокращенно WIMP. К сожалению, по определению, слабовзаимодействующие частицы крайне сложно наблюдать напрямую.
Бетани Болдуин-Пульчини и Стивен Хайатт из Калифорнийского университета в Дэвисе создали удобное веб-приложение, которое позволяет исследовать взаимосвязь между массой черной дыры галактики, количеством обычной материи и количеством темной материи и скоростью звезд.
Странное движение галактик — не единственное доказательство существования темной материи. Когда свет проходит через гравитационное поле, его путь изгибается, и изгиб становится все более экстремальным по мере того, как гравитационное поле становится сильнее. Глядя на скопления галактик, обладающие невероятной массой, вы можете фактически увидеть, как гравитация изгибает свет.
Ученые подсчитали, сколько света должен изгибаются на основе количества материи, которую мы можем видеть, и они обнаружили, что свет изгибается больше, чем ожидалось. Неожиданно сильные гравитационные поля являются еще одним доказательством того, что во Вселенной много материи, которая невидима для нас.
По данным НАСА, около 85% всей материи во Вселенной на самом деле является темной материей.
Напряжение Хаббла: мы не можем прийти к единому мнению о том, насколько быстро расширяется Вселенная
В 1929 году ученый Эдвин Хаббл открыл нечто замечательное: Вселенная расширяется. В то время это было революционным открытием — даже Эйнштейн изначально ошибался. В 1990-х годах все стало еще страннее. Вселенная не только расширяется, но и скорость ее расширения на самом деле увеличивается, вероятно, из-за таинственного влияния некоей «темной энергии».
С тех пор ученые пытались вычислить, насколько быстро расширяется Вселенная, используя такие инструменты, как космический телескоп «Хаббл», космический телескоп Джеймса Уэбба и «Планк».
Для этого они используют «стандартные свечи», которые являются объектами, светимость которых хорошо изучена. Это звучит сложно, но это не так экзотично, как вы могли бы подумать. Если вы знаете, сколько света на самом деле что-то излучает, и знаете, насколько ярким оно кажется, вы можете вычислить, насколько оно далеко. Два самых известных примера этих стандартных свечей — это переменные звезды-цефеиды и сверхновые типа Ia, обе из которых были тщательно изучены. На рисунке ниже отмечены некоторые переменные звезды-цефеиды в UGC 9391, галактике, расположенной более чем в 130 миллионах световых лет от Земли.
С другой стороны, вы также можете исследовать такие вещи, как космический микроволновый фон (CMB), который возник всего через 400,000 XNUMX лет после Большого взрыва, чтобы оценить, насколько быстро расширяется Вселенная.
Вот в чем проблема, когда вы делаете расчеты: вы получаете очень разные ответы. Скорость расширения, рассчитанная с использованием «стандартных свечей», примерно на 9% быстрее, чем вы получите, если измерите ее с помощью реликтового излучения. Ученые уверены, почему существует эта разница, но они абсолютно уверены, что это не проблема с измерениями. Здесь что-то еще.
Исследование, опубликованное в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, предполагает, что вся Вселенная медленно вращается, что и может быть причиной расхождения.
Темная энергия: почему Вселенная расширяется?
Ученые уверены, что Вселенная расширяется все более быстрыми темпами, но никто не знает наверняка, как и почему это происходит.
Ведущее объяснение заключается в том, что существует некий неизвестный источник энергии, обычно называемый «темной энергией», который подпитывает расширение. Откуда берется эта энергия, также является предметом споров.
Самая распространенная теория — обычно называемая просто «Космологической постоянной» — заключается в том, что в пространстве всегда есть определенное минимальное количество энергии, поэтому по мере расширения Вселенной спонтанно появляется больше энергии. К сожалению, теория в настоящее время не может точно предсказать количество энергии, которое мы наблюдаем, и окончательный ответ на вопрос о темной энергии, вероятно, потребует открытия новой физики.
Материя против антиматерии: почему мы существуем?
Все, к чему вы прикасаетесь в повседневной жизни, состоит из материи, иногда называемой «барионной» материей. Но есть проблема: ее (и вас) здесь, вероятно, быть не должно.
Подобно тому, как у магнита есть северный и южный полюса, а у батарейки — отрицательные и положительные клеммы, у материи также есть противоположность, которая уместно названа «антиматерией» или «антибарионной материей».
Антиматерия и материя имеют равные и противоположные свойства. Например, когда вы говорите об обычной материи, ядро атома состоит из положительно заряженных протонов. В случае антиматерии ядро имеет отрицательный заряд, потому что оно состоит из отрицательно заряженных антипротонов. Мы действительно можем производить антиматерию в небольших количествах в лабораториях.
Так что же произойдет, если объединить материю и антиматерию? Они аннигилируют — бурно. Реакции материи и антиматерии эффективны на 100%. Объединенная масса материи и антиматерии преобразуется в энергию.
Если бы материя и антиматерия были созданы в равных количествах в начале вселенной, никого из нас не было бы здесь сегодня — материя и антиматерия уничтожили бы друг друга. Ученые исследовали объекты в глубоком космосе, такие как скопление Пуля ниже, в попытке найти признаки антиматерии с начала вселенной, но без особого успеха. Тот факт, что мы здесь, и что так много наблюдаемой вселенной состоит из материи, является странным.
Вот в чем суть загадки: почему так много материи и так мало антиматерии? Пока никто не знает.
The Big Bang
Теория Большого взрыва в целом подтверждается доказательствами, собранными учеными за последнее столетие, но до сих пор нет внятного ответа на вопрос «Почему вообще произошел взрыв?»
Одно из объяснений заключается в том, что Большой взрыв был вызван квантовой флуктуацией. Квантовая физика предсказывает, что пространство на самом деле не пустое. Скорее, частицы спонтанно возникают, а затем быстро уничтожаются повсюду, все время. Возможно, что Вселенная является результатом одной особенно впечатляющей флуктуации.
Существуют и другие, еще более экзотические теории. Одна из таких теорий, называемая «Космология бран», происходит из теории струн. Идея заключается в том, что вселенная состоит из больших структур, называемых бранами, которые существуют в 11 измерениях. Если они существуют, считается, что эти браны будут взаимодействовать друг с другом, а иногда даже сталкиваться. Такие столкновения могли бы создать вселенную, подобную нашей.
Интересно, что это объяснение также допускает существование мультивселенной, где существует более одной вселенной.
К сожалению, как и большинство предсказаний, сделанных Теорией струн, мы в настоящее время не можем проверить существование бран, и вполне возможно, что конкретный ответ навсегда останется вне досягаемости.
Может показаться, что все эти тайны можно решить, если у нас будет достаточно времени или научной изобретательности, но мы не должны принимать это как должное. Многие из этих вопросов связаны с событиями, которые произошли миллиарды лет назад, в условиях настолько экстремальных, что мы даже не распознали бы их как нашу собственную вселенную. Некоторые из этих идей, особенно те, которые опираются на теорию струн, могут навсегда оказаться вне нашей досягаемости. Как минимум, нам гарантированно понадобится захватывающая новая физика, чтобы найти удовлетворительный ответ.
