Астрофізики підрахували, скільки темної матерії у Всесвіті. Дані знову поставили космологію у глухий кут
Наукпоп20 жовтня 2022, 20:00
У 1933 році астрофізики вперше виявили непрямі докази існування темної матерії — невидимої речовини, яка відповідає за формування та тяжіння зірок і галактик.
Досі прийнято вважати, що саме темна матерія формує приховану масу об'єктів у Всесвіті та утримує їх від руйнування внаслідок потужної гравітаційної взаємодії.
До кінця XX століття дослідники підтвердили, що простір-час розширюється під упливом іще однієї умовної невидимої сили — темної енергії. Усе ще невідомо, чи є темна енергія космологічною константою, динамічним полем чи модифікованою гравітацією в макромасштабах Всесвіту.
Менше з тим, існування темної енергії та темної матерії є основою найпопулярніших космологічних теорій. Донедавна вважалося, що темна енергія становить близько 74% Всесвіту, темна матерія — близько 22%, а 4%, що залишилися, — міжгалактичний газ, зірки й інші об'єкти.
Але попри те, що ми не можемо зрозуміти невловиму природу темної матерії та темної енергії за допомогою зору, ми можемо виміряти її за допомогою математики. А в середу в серії статей в Astrophysical Journal астрофізикам удалося встановити найточніші обмеження на склад та еволюцію нашого Всесвіту, включно з темним Всесвітом.
Точніші розрахунки нещодавно представили вчені з Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики в Кембриджі. Завдяки аналізу понад 1500 наднових зірок дослідники змогли визначити, як змінювався вміст Всесвіту протягом 10 млрд років.
Передплатіть NV Преміум та читайте без обмежень
Нам необхідна ваша підтримка, щоб займатися якісною журналістикою
Космічні ліхтарі
Наднові типу Ia — це підкатегорія наднових зірок, які є результатом термоядерного вибуху білого карлика. Білий карлик, своєю чергою, — це зірка, що вмирає, у ядрі якої перестає виділятися енергія за рахунок термоядерного синтезу.
Наднові типу Ia вважають одними з найяскравіших об'єктів у Всесвіті, які в буквальному сенсі дають змогу «підсвітити» в минуле і побачити об'єкти на відстані в мільярди світлових років від Землі.
Новий аналітичний механізм Pantheon+, розроблений ученими з Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики, дав дослідникам можливість проаналізувати понад 1500 таких наднових і визначити вміст Всесвіту мільярди років тому.
«З Pantheon+ ми можемо встановити найточніші обмеження на динаміку й історію Всесвіту насьогодні. Ми прочесали дані і тепер можемо з більшою впевненістю, ніж будь-коли, сказати, як Всесвіт розвивався протягом тисячоліть і що сучасні найкращі теорії темної енергії та темної матерії залишаються істинними», — заявив один з авторів дослідження, науковий співробітник Центру астрофізики Ейнштейна Діллон Браут.
Випромінювання наднових, яке затьмарює цілі галактики, дозволило визначити, наскільки швидко розширювався Всесвіт у різні епохи розвитку і яку роль у цьому розвитку відіграла темна енергія та темна матерія.
Проривний аналітичний механізм Pantheon+ показав, що темна енергія займає приблизно 66,2% Всесвіту, інші 33,8% складаються з темної матерії і видимої нам матерії.
Астрофізики називають свою роботу «кульмінацією більш ніж двох десятиліть зусиль спостерігачів і теоретиків усього світу з розшифровки сутності космосу». Серед авторів нового аналізу також — один із лауреатів Нобелівської премії 2011-го з фізики, професор астрофізики Гарвардського університету Адам Рісс.
Результати Pantheon+ також дали змогу уточнити ще одну ключову величину для сучасної космології — швидкість розширення Всесвіту, відому як стала Габбла. Згідно з оновленими даними, ця величина складає 73,4 кілометри на секунду на мегапарсек (один мегапарсек — близько 3,26 мільйона світлових років).
Попередні підрахунки демонстрували постійну Габбла на рівні 69,8 кілометрів на секунду на мегапарсек.
Невідповідності у підрахунках постійної Габбла вказують на наявність «екзотичної нової фізики в дуже ранньому Всесвіті», коли темна матерія домінувала над темною енергією, стримуючи швидкість розширення Всесвіту.
Імовірно, протягом кількох мільярдів років ситуація змінилася, і переважна темна енергія почала «розкидати» вміст космосу все далі одне від одного. «Проте такі непідтверджені теорії повинні витримувати науковий процес, і напруженість Габбла продовжує залишатися серйозною проблемою», — заявив Браут.
Всесвіт без темної матерії
Попри популярність схожих теорій, деякі дослідники вважають, що темною матерією та енергією є альтернативна гравітація, яка проявляється при взаємодії найбільших об'єктів у Всесвіті.
Одним із піонерів такої теорії був ізраїльський фізик Мордехай Мілгром, який у 1982 році пояснив проблему прихованої маси небесних тіл за допомогою своєї теорії MOND (Modified Newtonian dynamics).
Мілгром припускав, що слабка гравітація на краю галактик виявляє нові властивості, які відрізняються від ньютонівської фізики.
Нещодавно астрофізики з британського університету Сент-Ендрюс вирішили перевірити теорію MOND і порівняти правильність прогнозу Мілгрома зі Стандартною космологічною моделлю.
Аналізуючи швидкість обертання галактик і руху всередині скупчень галактик, автори нового дослідження припустили, що теорія MOND точніше описує розширення Всесвіту та взаємодію об'єктів усередині нього.
Британські астрофізики також заявили, що ідея про темну матерію просто «спрощує багато розрахунків», але насправді «не відображає реальність». Один із їхніх ключових аргументів проти існування темної матерії полягав у тому, що частинки темної матерії нібито забезпечують гравітацію навколо себе, але при цьому не зазнають гравітаційного тяжіння звичайної матерії.
«Ореоли темної матерії навколо галактик не можуть достовірно пояснити їхні властивості. Є багато інших недоліків Стандартної космологічної моделі, які ми досліджували в нашому огляді, і теорія MOND часто могла природним чином пояснити ці спостереження. Причина, через яку Стандартна космологічна модель, однак, така популярна, може бути пов’язана з обчислювальними помилками або обмеженими знаннями про її недоліки, деякі з яких були виявлені зовсім недавно», — заявили вчені.
Підтримку різних теорій із використанням темної матерії також пояснили тим, що широке наукове співтовариство не може ставити під сумнів чинну теорію гравітації, яка виявилася настільки успішною в багатьох інших галузях фізики.