Темная материя предшествовала «видимой» Вселенной?
Сергей Язев отмечает, что еще в середине XX века астрономы стали замечать, что расположенные на периферии галактики звезды движутся почти с той же скоростью, что и звезды рядом с центром (а должны бы замедляться). Такое распределение скоростей не соответствовало расчетам масс галактики.
Изначально было такое объяснение: астрономы не учитывали невидимые черные дыры, недооценивали количество пыли и газа в галактиках, не видели небольшие тусклые звезды (например, черные карлики). Но если учесть все это, масса все равно значительно не увеличится. А чтобы расчеты соответствовали наблюдениям, «скрытой массы» должно быть в 5-6 раз больше, чем всего видимого вещества.
Новое предположение: существует некая таинственная «скрытая масса», распределенная по всей галактике (и даже выходящая за пределы внешних ее границ).
Так возникло представление о темной материи. Как подчеркивает Сергей Язев, в настоящее время гипотеза о ее природе сводится к следующему: это неизвестный науке тип элементарных частиц, чрезвычайно слабо или вовсе не взаимодействующих с известным нам веществом.
По всей видимости, эти элементарные частицы не подчиняются так называемому сильному ядерному взаимодействию — силам, которые склеивают протоны между собой в ядре атома и не дают им разлететься под действием электрического отталкивания (иначе образовывались бы ядра непривычных нам атомов). Частицы темной материи не должны подчиняться и электромагнитному взаимодействию — это означает, что они не влияют на электромагнитное излучение (свет). Поэтому мы их и не видим.
«Один из гипотетических вариантов еще не открытых частиц физики и астрономы назвали аббревиатурой WIMP (Weakly Interacting Massive Particles (слабо взаимодействующие массивные частицы), или просто вимпы. Если они существуют, то их можно почувствовать только по их гравитационному воздействию. Они присутствуют и в нашей Галактике, и в нашей Солнечной системе, находятся рядом с читателем этой книги и постоянно проходят его насквозь. Читатель, впрочем, этого не замечает, поскольку, как следует из их названия, они слабо взаимодействуют с веществом», — пишет автор книги.
Более того, есть гипотеза, что флуктуации распределения темной материи на заре формирования Вселенной могли привести к образованию ее структуры. В ранние времена после Большого взрыва еще до флуктуаций протонов, нейтронов и электронов возникали флуктуации частиц темной материи, не взаимодействующей с фотонами. А когда по мере остывания Вселенной протоны, нейтроны и электроны смогли объединиться, формируя атомы водорода (а также небольшого количества дейтерия («тяжелого водорода») и гелия), первичные флуктуации — сгустки темной материи — уже имели место. В этих сгущениях под действием их гравитации стали концентрироваться сгустки барионной материи, из которых сформировались сгущения газа — протогалактики, превратившиеся со временем в скопления звезд — галактики.
Как отмечает Сергей Язев, сегодня определены вклады всех известных видов материи в плотность Вселенной. Плотность темной материи и привычного нам вещества — примерно 3×10−30 г/см3. Это чрезвычайно мало. Почему так, ведь существуют масштабнейшие звезды с огромной плотностью, образующие галактики, в которых таких звезд сотни миллиардов? Есть огромные молекулярные облака и грандиозные облака пыли между звездами...
«Все дело в гигантском объеме, в котором распределено вещество Вселенной. Расстояние между звездами внутри галактик огромно, расстояние между галактиками — тем более. Значительная часть пространства Вселенной — это пустота (точнее, почти пустота), где можно найти лишь отдельные частицы, мизерные по массе. Если же вспомнить огромные, совершенно пустые пространства войдов протяженностью в сотни миллионов световых лет, где нет ни звезд, ни планет, ни пыли, ни газа, то получается, что средняя плотность вещества во Вселенной чрезвычайно мала. Если же оценить среднюю плотность темной энергии получается несколько больше: 7 × 10−30 г/см3. Это соответствует плотности энергии, которую обеспечивают всего три атома водорода в кубическом метре. Кажется, что это очень мало. Но это существенно больше средней плотности обычного вещества во Вселенной».
Что касается обнаружения частиц темной материи, то для этого проводятся эксперименты на Большом адронном коллайдере. Но пока, как отмечает Язев, коллайдер осуществил не открытие, а «закрытие» частицы нейтралино (относящейся к вышеназванным вимпам).
Что тогда темная материя, если не вимпы? Теоретики рассматривают другие варианты: стерильные нейтрино и аксионы. Будут «ловить» их.
Полпроцента за ~ 2 500 лет
Итак, согласно последним общеизвестным данным, во Вселенной содержится:
- ~ 6,9×10−30 г/см3 (68,89 %) темной энергии,
- ~ 2,6×10−30 г/см3 (26,07 %) темной материи,
- ~ 0,49×10−30 г/см3 (4,9 %) барионной материи,
- малые доли % — электромагнитное излучение + нейтрино.
