Астрофизики подсчитали, сколько темной материи во Вселенной. Данные снова поставили космологию в тупик
Научпоп20 октября 2022, 20:00
В 1933 году астрофизики впервые обнаружили косвенные доказательства существования темной материи 一 невидимого вещества, которая отвечает за формирование и притяжение звезд и галактик.
До сих пор принято считать, что именно темная материя формирует скрытую массу объектов во Вселенной и удерживает их от разрушения вследствие мощного гравитационного взаимодействия.
К концу XX века исследователи подтвердили, что пространство-время расширяется под воздействием еще одной условной невидимой силы 一 темной энергии. Все еще неизвестно, является ли темная энергия космологической константой, неким динамическим полем или модифицированной гравитацией в макромасштабах Вселенной.
Тем не менее, существование темной энергии и темной материи является основой самых популярных космологических теорий. До недавних пор полагалось, что темная энергия составляет около 74% Вселенной, темная материя 一 около 22%, а оставшиеся 4% представляет межгалактических газ, звезды и другие объекты.
Но даже несмотря на то, что мы не можем понять неуловимую природу темной материи и темной энергии с помощью зрения, мы можем измерить ее с помощью математики. А в среду в серии статей в Astrophysical Journal астрофизикам удалось установить самые точные ограничения на состав и эволюцию нашей Вселенной, включая темную Вселенную.
Более точные расчеты недавно представили ученые из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в Кембридже. Благодаря анализу более 1500 сверхновых звезд исследователи смогли определить, как менялось содержимое Вселенной на протяжении 10 млрд лет.
Подпишитесь на NV Премиум и читайте без ограничений
Нам необходима ваша поддержка, чтобы заниматься качественной журналистикой
Космические фонари
Сверхновые типа Ia — это подкатегория сверхновых звезд, которые являются результатом термоядерного взрыва белого карлика. Белый карлик, в свою очередь, — это умирающая звезда, в ядре которой перестает выделяться энергия за счет термоядерного синтеза.
Сверхновые типа Ia считают одними из самых ярких объектов во Вселенной, которые в буквальном смысле позволяют «подсветить» в прошлое и увидеть объекты на расстоянии в миллиарды световых лет от Земли.
Новый аналитический механизм Pantheon+, разработанный учеными из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, позволил исследователям проанализировать более 1500 таких сверхновых и определить содержимое Вселенной миллиарды лет назад.
«С Pantheon+ мы можем установить самые точные ограничения на динамику и историю Вселенной на сегодняшний день. Мы прочесали данные и теперь можем с большей уверенностью, чем когда-либо прежде, сказать, как Вселенная развивалась на протяжении тысячелетий и что современные лучшие теории темной энергии и темной материи остаются верными», — заявил один из авторов исследования, научный сотрудник Центра астрофизики Эйнштейна Диллон Браут.
Излучение сверхновых, которое затмевает целые галактики, позволило определить, насколько быстро расширялась Вселенная в разные эпохи развития, и какую роль в этом развитии сыграла темная энергия и темная материя.
Прорывной аналитический механизм Pantheon+ показал, что темная энергия занимает примерно 66,2% Вселенной, а остальные 33,8% состоят из темной материи и видимой нам материи.
Астрофизики называют свою работу «кульминацией более чем двух десятилетий усилий наблюдателей и теоретиков всего мира по расшифровке сущности космоса». В число авторов нового анализа также вошел один из лауреатов Нобелевской премии 2011-го по физике — профессор астрофизики Гарвардского университета Адам Рисс.
Результаты Pantheon+ также позволили уточнить еще одну ключевую величину для современной космологии — скорость расширения Вселенной, известную как постоянная Хаббла. Согласно обновленным данным, эта величина составляет 73,4 километра в секунду на мегапарсек (один мегапарсек — около 3,26 миллиона световых лет).
Предыдущие подсчеты демонстрировали постоянную Хаббла на уровне 69,8 километра в секунду на мегапарсек.
Несоответствия в подсчетах постоянной Хаббла указывают на наличие «экзотической новой физики в очень ранней Вселенной», когда темная материя доминировала над темной энергией, сдерживая скорость расширения Вселенной.
Вероятно, в течение нескольких миллиардов лет ситуация изменилась, и преобладающая темная энергия начала «разбрасывать» содержимое космоса все дальше друг от друга. «Однако, такие неподтвержденные теории должны выдерживать научный процесс, и напряженность Хаббла продолжает оставаться серьезной проблемой», — заявил Браут.
Вселенная без темной материи
Несмотря на популярность похожих теорий, некоторые исследователи полагают, что темной материей и энергией является альтернативная гравитация, которая проявляется при взаимодействии крупнейших объектов во Вселенной.
Одним из пионеров такой теории был израильский физик Мордехай Милгром, который в 1982 году объяснил проблему скрытой массы небесных тел с помощью своей теории MOND (Modified Newtonian dynamics).
Милгром предполагал, что слабая гравитация на краю галактик проявляет новые свойства, которые отличаются от ньютоновской физики.
Недавно астрофизики из британского университета Сент-Эндрюс решили проверить теорию MOND и сравнить правильность прогноза Милгрома со Стандартной космологической моделью.
Анализируя скорость вращения галактик и движения внутри скоплений галактик, авторы нового исследования предположили, то теория MOND более точно описывает расширение Вселенной и взаимодействие объектов внутри нее.
Британские астрофизики также заявили, что идея о темной материи просто «упрощает многие расчеты», но на самом деле «никак не отражает реальность». Один из их ключевых аргументов против существования темной материи заключался в том, что частицы темной материи якобы обеспечивают гравитацию вокруг себя, но при этом не подвергаются гравитационному притяжению обычной материи.
«Ореолы темной материи вокруг галактик не могут достоверно объяснить их свойства. Есть много других недостатков Стандартной космологической модели, которые мы исследовали в нашем обзоре, и теория MOND часто могла естественным образом объяснить эти наблюдения. Причина, по которой Стандартная космологическая модель, тем не менее, так популярна, может быть связана с вычислительными ошибками или ограниченными знаниями о ее недостатках, некоторые из которых были обнаружены совсем недавно», — заявили ученые.
Поддержку различных теорий с использованием темной материи также объяснили тем, что широкое научное сообщество не может подвергать сомнению действующую теорию гравитации, которая оказалась столь успешной во многих других областях физики.