Толян и Нейросеть. Как выжить после ИИ-революции.

Загадка тьмы: почему 95% вселенной нам не видно и что на самом деле держит галактики вместе

Если вы считаете себя, свой дом или планету Земля чем-то значимым во Вселенной, у меня для вас не очень приятные новости.

Все, что мы видим и трогаем — от наших тел, планет, звезд до самых далеких сияющих галактик, — составляет всего лишь жалкие 4–5% от всего, что есть в космосе.  

Вся наша блистательная, видимая Вселенная — это, по сути, крохотная песчинка на верхушке космического айсберга.

А что же составляет остальные 95–96%? Нечто, что мы не можем увидеть, потрогать и о чем до сих пор знаем пугающе мало: темная материя и темная энергия.

Мы думали, что познали мир, но оказалось, что живем в невероятной, просто сумасшедшей Вселенной, где доминирует невидимое. И наша цивилизация, со всеми ее достижениями, по масштабам Вселенной — не более чем незначительное дополнение, почти «загрязнение». Но, может, это и к лучшему?

Что такое темная материя и как мы вообще догадались о ее существовании?

Темная материя — это не какой-то черный дым или непрозрачное вещество. Она «темная» в том смысле, что абсолютно не взаимодействует со светом. Она не излучает, не поглощает и не отражает электромагнитные волны ни в каком диапазоне. По сути, это невидимая, прозрачная субстанция, которую невозможно ни увидеть в телескоп, ни ощутить.

Но если ее не видно, то как мы узнали о ее существовании? Через гравитацию. Гравитация, этот «космический клей», действует на темную материю так же, как и на обычное вещество.

Истории открытия темной материи уже почти сто лет, и она — сплошной парадокс. В 1930-х годах астрономы Фриц Цвикки и Ян Оорт заметили странную вещь: звезды и целые галактики вращались слишком быстро для своей видимой массы. Представьте, что вы раскручиваете карусель, но все, кто на ней сидит, движутся с такой скоростью, что их должно было бы просто сбросить центробежной силой. Однако они остаются на месте! Цвикки предположил: чтобы объяснить, почему галактики не разлетаются, вокруг них должно быть огромное количество скрытой массы.

Позже, в 60-х и 70-х, Вера Рубин и ее коллеги подтвердили: многие спиральные галактики вращаются настолько быстро, что их должно было бы разорвать в клочья, если бы их удерживала только видимая материя.

Таким образом, единственное, по чему мы можем судить о темной материи, — это ее гравитационное притяжение. Именно она создает гигантские невидимые ореолы (гало), которые окружают галактики и удерживают их в целости. Масса этих невидимых гало в десять раз больше массы самой галактики.

Темная материя — скелет Вселенной, или «призрак» в нашей гостиной

Темная материя сыграла ключевую роль в формировании Вселенной, став своего рода ее первичным гравитационным каркасом. В ранней, горячей Вселенной обычной материи (газу, который потом стал звездами) мешало собраться в сгустки высокое давление. А вот темной материи было все равно! Она начала собираться в сгущения под действием гравитации сразу после Большого взрыва, создавая «гравитационные ямы». Обычное вещество потом просто «стекалось» в эти ямы, как вода, формируя галактики и их скопления. Без темной материи галактики просто не успели бы сформироваться за то время, что прошло с момента Большого взрыва.

Темная материя повсюду. Поскольку она не взаимодействует с атомами и не имеет заряда, она свободно проходит сквозь обычное вещество, включая нас и Землю. Считается, что миллиарды частиц темной материи пролетают сквозь каждый квадратный метр вашего тела каждую секунду. Вы не можете ее поймать, она пройдет сквозь вашу ладонь, пол и мантию Земли, как будто их нет, хотя гравитация планеты будет влиять на ее траекторию.

Из чего сделан этот космический призрак?

Природа темной материи — одна из величайших нерешенных задач. Мы точно знаем, что она не состоит из протонов, нейтронов и электронов — то есть не является обычной барионной материей.

Ученые выдвинули множество гипотез, и самые популярные из них делятся на два больших лагеря:

• MACHOs (Массивные компактные объекты гало галактик): Крупные, но темные объекты, сделанные из обычного вещества (коричневые карлики, старые нейтронные звезды, черные дыры). Однако наблюдения показывают, что таких объектов недостаточно, чтобы объяснить всю недостающую массу.

• WIMPs (Слабо взаимодействующие массивные частицы): Это принципиально новый вид элементарных частиц. Они тяжелые и медленные («холодная темная материя»), не имеют заряда и почти ни с чем не взаимодействуют, кроме гравитации и, возможно, слабой ядерной силы.

Сегодня физики отдают предпочтение WIMPs. Есть даже конкретные кандидаты, например,   нейтралино — гипотетический суперпартнер фотона или нейтрино, предсказанный теорией суперсимметрии. Тот факт, что в ранней Вселенной могло сохраниться ровно такое количество стабильных нейтралино, которое соответствует наблюдаемой сейчас доле темной материи, получил название «чудо-вимпы». Ученые надеются создать или обнаружить эти частицы в подземных детекторах или на Большом адронном коллайдере (БАК).

Откуда берутся загадочные 85%?

Вы спросили, почему темная материя составляет 85% массы Вселенной. На самом деле, если говорить о всей материи и энергии во Вселенной, цифры, полученные со спутников (таких как WMAP и Planck), выглядят иначе:

• Обычное вещество (мы, звезды, планеты): 4–5%.
• Темная материя: 23–27%.
• Темная энергия: 68–73%.

Таким образом, темная материя составляет примерно четверть (23–27%) от всего содержимого Вселенной, а подавляющее большинство (около 95%) — это невидимые, таинственные субстанции: темная материя и темная энергия.

Почему же существует путаница? Возможно, вы слышали старые оценки, где говорили, что темная материя составляет до 90% всей материи. Но эти оценки часто не учитывали или преуменьшали роль еще более загадочного компонента — темной энергии.

Темная энергия — это вообще отдельная история. Это энергия самого пустого пространства (вакуума), которая, вопреки здравому смыслу, действует как антигравитация, заставляя Вселенную расширяться с ускорением. В отличие от темной материи, которая собирается в сгустки, темная энергия распределена равномерно. И именно эта доминирующая сила, составляющая около 70% Вселенной, определяет ее конечную судьбу.

Так что теперь вы знаете: мир состоит не только из знакомых нам атомов. Мы живем в "черном ящике", и большая часть нашего дома — абсолютно неизвестные формы материи и энергии. Удивительно, не правда ли? И чем больше мы узнаем, тем меньше понимаем. Как в такой темноте найти собственный путь? Ответы, видимо, кроются не только в коллайдерах, но и в глубине наших собственных размышлений. И это, возможно, самая захватывающая часть истории.