Плоский світ: Всесвіт вигнутий? Плоский всесвіт - розширення нескінченно, нульова кривизна Комбінації з тором

Перевірка справедливості космологічної моделі Всесвіту, за якою близько 72% її маси припадає на темну енергію, за новою методикою підтвердила, що Всесвіт "плоский", а так званий космологічний постійний, який Альберт Ейнштейн називав своєю головною помилкою, може бути поясненням прискорення його розширення, вважають автори статті, яка буде опублікована у журналі Nature у четвер.

Альберт Ейнштейн додав космологічну постійну, що характеризує властивості вакууму, у власні рівняння загальної теорії відносності, щоб ті допускали існування стабільного Всесвіту, який не стискується і не розширюється. Однак через деякий час після цього американський астроном Едвін Хаббл показав, що насправді Всесвіт розширюється, а сам Ейнштейн назвав космологічну постійну своєю "найбільшою помилкою".

Космологічна стала залишилася предметом інтересу вчених, але до 1990-х років вважалося, що вона незначно відрізняється від нуля. У 1998-1999 роках спостереження за надновими показали, що Всесвіт розширюється з прискоренням, а потім дані зонда WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), що вивчає реліктове випромінювання, "луна" Великого вибуху, змусили вчених припустити, що "розлучає" Всесвіт , яку припадає близько 72% її маси. Ці висновки пробудили новий інтерес до постійної космологічної.

Крістіан Маріноні (Christian Marinoni) та Едлін Буцці (Adeline Buzzi) з університету Провансу (Франція) запропонували нову методику перевірки справедливості уявлень про структуру та властивості Всесвіту, засновану на геометрії пар галактик з великим червоним усуненням, тобто сильно віддалених від спостерігача. Вони скористалися тим фактом, що, за сучасними уявленнями, "форма" Всесвіту залежить від його "змісту", а значить, геометричні виміри можна використовувати для визначення складу Всесвіту і, зокрема, кількості в ній темної енергії.

Вчені використали модифікацію тесту Елкока-Пачинськи, розробленого американським та польським астрономами понад 30 років тому. Цей тест заснований на розгляді симетричних об'єктів у космічному просторі як "стандартних сфер", будь-які спотворення яких будуть пов'язані зі спотворенням простору, викликаним розширенням Всесвіту.

Цей тест неодноразово намагалися застосувати, наприклад, для скупчень галактик, проте цього бракувало точності вимірювань. Мариноні та Буцці вивчили розподіл взаємної орієнтації пар галактик, що обертаються один навколо одного. У Всесвіті без темної енергії цей розподіл був би сферично симетричним - тобто кількість пар, орієнтованих у будь-якому напрямі, була б однаковою.

Спостереження показали, що насправді чим далі від Землі знаходяться пари галактик, тим більше асиметричним був розподіл їх орієнтації - більше пар було розташовано вздовж променя огляду від Землі. Це, як зазначають вчені, відповідає моделі плоского Всесвіту.

Плоский Всесвіт (flat Universe) - це така модель розвитку Всесвіту, за якою її розширення нескінченне, а кривизна простору - нульова, тобто вона плоска. У такій моделі життя Всесвіту закінчується або "Великим Морозом" (Big Freeze), коли Всесвіт, що розширюється, переживає теплову смерть - в такій системі з рівномірно розподіленою енергією неможлива ніяка механічна робота або рух, або "Великий Розрив" (Big Rip), коли прискорення розширення "пересилить" електромагнітну, слабку та гравітаційну взаємодії, і Всесвіт просто "порветься". Раніше на "площину" Всесвіту вказували дані того ж WMAP.
із темною енергією.

Крім того, як зазначають дослідники, їм вдалося показати, що найбільш вдалим поясненням феномена темної енергії може бути саме ейнштейнівська космологічна постійна енергія вакууму. Вчені, за їхніми словами, отримали і найточнішу на сьогодні оцінку величини цієї постійної.

Екологія життя. Наука та відкриття: Люди ведуть суперечки про те, чому існує Всесвіт, вже тисячі років. Практично в кожній античній культурі люди вигадували власну...

Деякі фізики вважають, що можуть пояснити, як сформувався наш Всесвіт. Якщо вони мають рацію, то наш космос міг виникнути з нічого.

Люди ведуть суперечки, чому існує Всесвіт, вже тисячі років. Майже у кожній античній культурі люди вигадували свою теорію створення світу – більшість їх включало у собі божественний задум – і філософи написали багато томів звідси. А ось наука може розповісти про створення Всесвіту не так уже й багато.

Проте останнім часом частина фізиків та космологів почала вести дискусію із цього приводу. Вони відзначають, що зараз ми непогано знаємо історію Всесвіту та закони фізики, які пояснюють, як він влаштований. Вчені вважають, що ця інформація дозволить нам зрозуміти і те, як і чому існує космос.
На їхню думку, Всесвіт, починаючи від Великого Вибуху і закінчуючи нашим багатозірковим космосом, який існує на сьогоднішній день, виник з нічого. Це мало статися, кажуть вчені, бо «ніщо» насправді внутрішньо нестабільне.

Ця ідея може здатися дивною або просто казковою. Але фізики стверджують, що вона бере початок із двох найпотужніших і найуспішніших теорій: квантової фізики та загальної теорії відносності.

Отже, як все могло виникнути з нічого?

Частки з порожнього простору

Для початку нам варто звернутися до галузі квантової фізики. Це область фізики, яка вивчає дуже маленькі частинки: атоми і навіть дрібніші об'єкти. Квантова фізика – надзвичайно успішна теорія, і вона стала фундаментом появи більшості сучасних електронних гаджетів.

Квантова фізика розповідає нам у тому, що порожнього простору взагалі немає. Навіть найідеальніший вакуум заповнений хмарою частинок і античасток, що коливаються, які з'являються з нічого і потім перетворюються на ніщо. Ці так звані «віртуальні частки» існують упродовж недовгого часу і тому ми не можемо їх побачити. Однак ми знаємо, що вони є через ті ефекти, які викликають.

До простору та часу з відсутності простору та часу

Давайте тепер перенесемо наш погляд від найдрібніших об'єктів – таких, як атоми, – до дуже великих штук – таких, як галактики. Наша найкраща теорія, яка пояснює такі великі речі – це загальна теорія відносності, головне досягнення Альберта Ейнштейна. Ця теорія пояснює, як взаємопов'язані між собою простір, час та гравітація.

Загальна теорія відносності сильно відрізняється від квантової фізики, і досі ніхто не зміг скласти їх у єдиний пазл. Однак деяким теоретикам вдалося, використовуючи акуратно обрану подібність, наблизити ці дві теорії один до одного у конкретних завданнях. Наприклад, цей підхід був використаний Стівеном Хокінгом у Кембриджському університеті, коли він описував чорні дірки.

Фізики виявили, що коли квантова теорія застосовується до простору у невеликих масштабах, простір стає нестабільним. Простір і час замість того, щоб залишатися гладкими і безперервними, починають вирувати і пінитися, приймаючи форму бульбашок, що лопаються.

Іншими словами, маленькі бульбашки часу та простору можуть формуватися спонтанним чином. «У квантовому світі час і простір є нестійкими, – каже астрофізик Лоуренс Максвелл Краус з Університету штату Арізона. – Таким чином, ви можете формувати віртуальний простір-час так само, як ви формуєте віртуальні частки».

Більше того, якщо ці бульбашки можуть виникнути, ви можете бути впевнені, що вони виникнуть. "У квантовій фізиці, якщо щось не заборонено, це обов'язково станеться з певною часткою ймовірності", - вважає Олександр Віленкін з університету Тафтса в штаті Массачусетс.

Всесвіт із міхура

Отже, не тільки частинки та античастинки можуть виникати з нічого і перетворюватися на ніщо: бульбашки простору-часу можуть робити те ж саме. Однак існує велика прірва між нескінченно малим просторово-часовим міхуром і величезним Всесвітом, що складається з більш ніж 100 млрд галактик. Справді, чому б міхура, що тільки що з'явився, не зникнути в мить ока?

І виявляється, є спосіб як змусити міхур вижити. Для цього потрібний ще один трюк, який називається космічною інфляцією.

Більшість сучасних фізиків вважають, що Всесвіт почався з Великого Вибуху. Спочатку вся матерія та енергія в космосі були стиснуті в неймовірно маленьку точку, яка потім почала швидко розширюватися. Про те, що наш Всесвіт розширюється, вчені дізналися у XX столітті. Вони побачили, що всі галактики розлітаються одна від одної, а отже колись вони розташовувалися близько один до одного.

Згідно з інфляційною моделлю Всесвіту, відразу після Великого Вибуху Всесвіт розширювався набагато швидше, ніж у наші дні. Ця дивовижна теорія з'явилася в 1980-х рр. завдяки Алану Гуту з Массачусетського технологічного інституту і була доопрацьована радянським фізиком Андрієм Лінде, який працює тепер у Стенфордському університеті.

Ідея інфляційної моделі Всесвіту полягає в тому, що відразу після Великого Вибуху маленький міхур простору розширювався з колосальною швидкістю. За неймовірно короткий термін він з крапки, меншої за розміром, ніж ядро ​​атома, досяг об'єму піщинки. Коли ж зрештою, розширення сповільнилося, сила, що викликала його, трансформувалася в матерію та енергію, які заповнюють сьогоднішній Всесвіт.

Незважаючи на свою дивність, інфляційна модель Всесвіту непогано відповідає фактам. Зокрема, вона пояснює, чому реліктове випромінювання - космічне мікрохвильове фонове випромінювання, що збереглося з часів Великого Вибуху, - рівномірно розподілене в небі. Якби Всесвіт розширювався не так швидко, тоді, швидше за все, випромінювання було б розподільно хаотичніше, ніж ми бачимо сьогодні.

Всесвіт плоский, і чому цей факт важливий

Інфляція також допомагає космологам визначити геометрію нашого Всесвіту. Виявилося, що знання геометрії необхідне розуміння, як космос міг виникнути з нічого.

Загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна говорить, що простір-час, у якому ми живемо, може набувати трьох різних форм. Воно може бути пласким, як поверхня столу. Воно може бути викривленим, як площа сфери, і тому, якщо ти почав рух із певної точки, то обов'язково до неї повернешся. І нарешті, воно може бути вивернуто назовні, як сідло. Тож у якій формі простору-часу ми живемо?

Це можна пояснити так. Можливо, ви пам'ятаєте зі шкільних уроків математики, що кути трикутника в сумі дорівнюють 180 градусів. Це вірно лише тоді, коли трикутник знаходиться у плоскому просторі. Якщо ви намалюєте трикутник на поверхні повітряної кульки, сума трьох кутів складе більше ніж 180 градусів. Якщо ж ви намалюєте трикутник на поверхні, схожій на сідло, сума трьох кутів буде меншою, ніж 180 градусів.

Для того, щоб зрозуміти, що наш Всесвіт плоский, нам необхідно виміряти кути гігантського трикутника. І це той випадок, коли у справу вступає інфляційна модель Всесвіту. Вона визначає середні розміри холодних та гарячих плям у космічному мікрохвильовому фоні. Ці плями були виміряні в 2003 році, і саме їх астрономи змогли використовувати як аналоги трикутника. Як результат, ми знаємо, що найбільші з доступних нашим спостеріганням масштабів у нашому Всесвіті – плоскі.

Таким чином, виявилося, що плоский Всесвіт є необхідністю. Це так, тому що тільки плоский Всесвіт міг утворитися з нічого.

Все, що існує у Всесвіті – починаючи від зірок і галактик і закінчуючи світлом, яке вони викликають, мало з чогось утворитися. Ми вже знаємо, що частинки виникають на квантовому рівні, і тому ми могли б очікувати, що у Всесвіті є деяка дріб'язок. Але для утворення всіх цих зірок і планет потрібна величезна кількість енергії.

Але звідки Всесвіт узяв усю цю енергію? Звучить, звичайно, дивно, але енергії не обов'язково було звідкись братися. Справа в тому, що кожен об'єкт нашого Всесвіту має гравітацію та притягує до себе інші об'єкти. І це врівноважує енергію, необхідну створення першої матерії.

Це трохи схоже на старі ваги. Ви можете покласти скільки завгодно важкий предмет на одну чашу терезів, і ваги будуть у рівновазі, якщо на іншому кінці знаходиться об'єкт такої ж маси. Що стосується Всесвіту, одному кінці розташовується матерія, а «врівноважує» її гравітація.

Фізики підрахували, що в плоскому Всесвіті енергія матерії точно дорівнює енергії гравітації, яку ця матерія створює. Але це працює тільки щодо плоского Всесвіту. Якби Всесвіт був викривленим, балансу не було б.

Всесвіт чи мультивсесвіт?

Тепер «приготування» Всесвіту виглядає досить простою справою. Квантова фізика говорить нам, що «ніщо» є нестійким, і тому перехід від «нічого» до «чогось» має бути практично неминучим. Далі, завдяки інфляції з маленької просторово-часової бульбашки може утворитися масивний, щільний Всесвіт. Як написав Краус, «Закони фізики, як ми розуміємо їх сьогодні, припускають, що наш Всесвіт утворився з нічого – не було ні часу, ні простору, ні частинок, нічого, про що ми знали б».

Але чому тоді Всесвіт утворився лише один раз? Якщо одна бульбашка роздулася до розмірів нашого Всесвіту, чому цього не можуть зробити інші бульбашки?
Лінде пропонує просту, але психоделічну відповідь. Він вважає, що Всесвіт виникали і виникають безперервно, і цей процес триватиме вічно.
Коли інфляція Всесвіту закінчується, вважає Лінде, її все одно продовжує оточувати простір, де існує інфляція. Вона викликає виникнення ще більшої кількості Всесвітів і навколо них утворюється ще більше простору, в якому відбувається інфляція. Якось інфляція почалася, і вона продовжуватиметься нескінченно. Лінде назвав це вічною інфляцією. Наш Всесвіт може бути лише піщинкою на нескінченному піщаному пляжі.

Інші всесвіти можуть сильно відрізнятися від нашого. У сусідньому всесвіті може бути п'ять просторових вимірів, у той час як у нашого їх всього три – довжина, ширина та висота. Сила гравітації в ній може бути в 10 разів сильнішою або в 1000 разів слабшою. Або гравітації може не бути зовсім. Матерія може складатися з інших частинок.

Таким чином, може існувати різноманітність Всесвітів, що не укладається в нашій свідомості. Лінде вважає, що вічна інфляція це не просто «абсолютно безоплатний обід», але це і єдиний обід, на якому доступні всі можливі страви. опубліковано

Переклад: Катерина Шутова

До нашого Всесвіту існувала інша, а та, в якій ми живемо, – плоска. Ці два відкриття 2010 року перевернули уявлення людини про еволюцію космосу. Вчені довели, що маса Всесвіту на 70 відсотків складається з таємничої "темної енергії", яка прискорює її розширення. Якщо обидві теорії підтвердяться, це може стати новим кроком у пізнанні світу.

Перше відкриття було зроблено одним із найблискучіших фізиків нашого часу – Роджером Пенроузом з Оксфордського університету. Він поставив питання: а що передувало Великому вибуху, в результаті якого згідно з домінуючою теорією утворилися час, матерія і простір?

У результаті проведених досліджень Пенроуз виявив докази існування іншого всесвіту, що передував нашому. І взагалі, на думку вченого, розвиток світобудови відбувається циклічно: всесвіт народжується, помирає і знову народжується зі свого ж попелу, проживаючи періоди, які фізик назвав "еонами". Його теорія дозволяє пояснити, чому спочатку Всесвіт був дуже впорядкованим, що дозволило сформуватися дуже складним об'єктам.

Друге дослідження, опубліковане в Nature, провели Крістіан Маріноні та Едлін Буцці, французькі фізики з Університету Провансу. Воно повертає нас до давно забутої теорії Альберта Ейнштейна про те, що наш Всесвіт плоский. Свого часу Ейнштейн відмовився від неї, вважаючи помилковою. Однак саме така форма Всесвіту дозволила пояснити існування "темної енергії" - головної рушійної сили Всесвіту. Французькі дослідники довели, що маса Всесвіту на 74 відсотки складається з цієї енергії, яка прискорює її розширення.

Сьогодні домінує теорія про те, що Всесвіт виник 13,7 млд років тому з однієї точки великої

щільності, яка в результаті Великого вибуху в перші миті існування була "гарячим супом" з не пов'язаних в атоми вільних частинок. Температура цього "супу" становила тисячі мільйонів градусів (ці умови були нещодавно з успіхом відтворені у Великому адронному колайдері – LHC). Зародившись, Всесвіт почав швидко розширюватися і охолоджуватися, частки почали формувати перші найпростіші атоми (водню), а сили гравітації протягом тривалого часу працювали на те, щоб об'єднати атоми в матерію зірок та галактик.
Одне з найбільш актуальних питань – питання про те, чому після Великого вибуху темп розширення Всесвіту не тільки не сповільнився, а й збільшується? В результаті вчені дійшли висновку, що це великою мірою залежить від маси речовини, що міститься в ній. Якщо загальна маса речовини Всесвіту достатня для того, щоб сила гравітації (яка тим більше, чим більша маса) подолала первинну відцентрову силу Великого вибуху, тоді розширення Всесвіту буде зупинено і навіть може призвести до її згортання - колапсу, який вчені називають Великим хрустом. Однак, якщо загальна маса недостатня, ніщо не зможе зупинити розширення Всесвіту, вона прагнутиме стати великою чорною порожнечею, де зрештою згасне остання зірка.

Залишилося виміряти масу Всесвіту, проте наука зустрілася тут із багатьма сюрпризами. Перший полягає в тому, що звичайна речовина, з якої складаються галактики, зірки і планети і яка існує як світло та інше випромінювання, що вимірюється, становить всього 5 відсотків від усієї маси Всесвіту, що абсолютно недостатньо, щоб загальмувати її розбіг. Інші 25 відсотків відповідають іншому "типу матерії", який не може бути безпосередньо виявлений нашими приладами, оскільки нічого випромінює. Ця матерія відома під ім'ям "темна". Ми знаємо, де вона знаходиться (так звані "чорні дірки"), тому що можемо виміряти зміни гравітації, але ніхто ніколи не зміг "побачити" її. Можна лише робити припущення щодо того, з яких частинок вона може складатися.

Справді, а які властивості мають ці частки? Цілком очевидно, вони не повинні розпадатися на інші, легші, інакше їм давно довелося б розпастися за весь час існування Всесвіту. Сам цей факт свідчить про те, що в природі діє новий, не відкритий поки що закон збереження, що забороняє цим часткам розпадатися. Аналогія тут із законом збереження електричного заряду: електрон – це найлегша частка з електричним зарядом, і саме тому він не розпадається на більш легкі частинки (наприклад, нейтрино та фотони).

Далі, частинки темної матерії надзвичайно слабко взаємодіють із нашою речовиною, інакше вони вже були виявлені в земних експериментах. Власне, на цьому знання вчених про ці цікаві частки закінчуються і починається неоране поле здогадів і припущень.

Отже, з темною матерією, яка складає ті самі 25 відсотків, хоч щось зрозуміло. Але що ж є решта 70 відсотків? Вчені не можуть поки що дати певної відповіді на це питання і використовують термін "темна енергія". Однак про неї відомо ще менше, ніж про темну матерію.

Найнезвичайніше у всьому цьому те, що темна енергія у певному сенсі зазнає антигравітації. Саме завдяки цьому розширення Всесвіту не сповільнюється, а пришвидшується. Така картина, взагалі кажучи, не суперечить загальній теорії відносності, проте для цього темна енергія повинна мати спеціальну властивість - негативний тиск. Це різко відрізняє її від традиційних форм матерії. Не буде перебільшенням сказати, що тема енергії - головна загадка фундаментальної фізики XXI століття. Хоча один кандидат на цю роль вже є – звичайний, відомий усім вакуум. Щоправда, його природа також досі залишається дуже загадковою.

Саме ця сила, ймовірно, визначає збільшення швидкості розбігу Всесвіту. Саме цю темну енергію досліджували Пенроуз та вчені з Франції. Пенроуз проаналізував дані, отримані з супутника WMAP (який вимірював мікрохвильове випромінювання, що пронизує весь Всесвіт і є слідом Великого вибуху). Він виявив структури розподілу як концентричних кіл, які можна пояснити як сліди існування інших всесвітів (накладення старого випромінювання на нове). Це означає, що наш Всесвіт один у низці багатьох і прийде час, коли він помре і відродиться в результаті нового Великого вибуху. Перед "смертю" Всесвіт стане "гладким і лінійним".

Цей висновок підтверджують Буцці та Мариноні, які довели, вимірюючи спотворення світла, що йде від 500 пар галактик, що ми живемо у плоскому всесвіті, а не вигнутому чи сферичному, як багато хто думав. Відштовхуючись від постулату, що геометричні виміри можна використовувати визначення складу Всесвіту, вчені вивчили розподіл взаємної орієнтації пар галактик, обертаються друг навколо друга. У Всесвіті без темної енергії цей розподіл був би сферично симетричним, тобто кількість пар, орієнтованих у будь-якому напрямі, була б однаковою.

Спостереження показали, що насправді чим далі від Землі знаходяться пари галактик, тим асиметричнішим був розподіл їх орієнтації, - більше пар було розташовано вздовж променя огляду від Землі. Крім того, якби Всесвіт був сферичним або вигнутим, то ми бачили б зображення галактик деформованим, як би виглядали в металевий м'яч і бачили там своє спотворене обличчя. У плоскому просторі спотворень немає, що було зазначено.

Що таке темна матерія чи прихована маса? А чорна енергія?

Прихована маса (у космології та астрофізиці також темна матерія, темна речовина) - загальна назва сукупності астрономічних об'єктів, недоступних прямим спостереженням сучасними засобами астрономії (тобто не випромінюють електромагнітного або нейтринного випромінювання достатньою для спостережень інтенсивності), але спостерігаються непрямо на видимі об'єкти.
Загальна проблема прихованої маси і двох проблем:

астрофізичної, тобто протиріччя спостерігається маси гравітаційно пов'язаних об'єктів та їх систем, таких, як галактики та їх скупчення, з їх спостережуваними параметрами, що визначаються гравітаційними ефектами;
* Космологічні - протиріччя спостерігаються космологічних параметрів отриманої за астрофізичними даними середньої щільності Всесвіту.

Природа та склад прихованої маси

Крім прямих спостережень гравітаційних ефектів прихованої маси існує ряд об'єктів, пряме спостереження яких утруднене, але які можуть робити внесок до складу прихованої маси. В даний час розглядаються об'єкти баріонної та небаріонної природи: якщо до перших відносяться досить добре відомі астрономічні об'єкти, то як кандидати у другі розглядаються нейтрино, страпельки та гіпотетичні елементарні частинки, що йдуть з класичної квантової хромодинаміки (аксіони) і суперсиметричних розширень квантових теорій поля.
Для пояснення відхилення швидкостей обертань галактичних об'єктів від кеплерівських слід припустити наявність масивного темного гало галактик. До масивних об'єктів гало галактик відносяться компактні об'єкти, що слабо випромінюють, в першу чергу маломасивні зірки - коричневі карлики, субзірки або дуже масивні юпітероподібні планети, маса яких недостатня для ініціювання термоядерних реакцій в їх надрах, охололі білі карлики.

Що це?

Що ж ми знаємо сьогодні про темну матерію, яка становить 95% мас Всесвіту? Майже нічого. Але щось все ж таки знаємо. Насамперед немає жодних сумнівів у тому, що темна матерія існує - про це незаперечно свідчать факти, наведені вище. А ще нам достеменно відомо, що темна матерія існує у кількох формах. Після того як до початку XXI століття в результаті багаторічних спостережень в експериментах SuperKamiokande (Японія) та SNO (Канада) було встановлено, що у нейтрино маса є, стало ясно, що від 0,3% до 3% з 95% прихованої маси полягає в давно знайомих нам нейтрино – нехай маса їх надзвичайно мала, але кількість у Всесвіті приблизно в мільярд разів перевищує кількість нуклонів: у кожному кубічному сантиметрі міститься в середньому 300 нейтрино. 92-95%, що залишилися, складаються з двох частин - темної матерії і темної енергії. Незначну частку темної матерії становить звичайну баріонну речовину, побудовану з нуклонів, за залишок відповідають, мабуть, якісь невідомі масивні слабовзаємодіючі частки (так звана холодна темна матерія).

Баріонна темна матерія

Невелика (4–5%) частина темної матерії – це звичайна речовина, яка не випромінює або майже не випромінює власного випромінювання і тому невидима. Існування кількох класів таких об'єктів вважатимуться експериментально підтвердженим. Найскладніші експерименти, засновані на тому ж гравітаційному лінзуванні, призвели до відкриття про масивних компактних галообъектов, тобто розташованих на периферії галактичних дисків. Для цього потрібно стежити за мільйонами віддалених галактик протягом кількох років. Коли темне масивне тіло проходить між спостерігачем та далекою галактикою, її яскравість на короткий час зменшується (або збільшується, оскільки темне тіло виступає у ролі гравітаційної лінзи). В результаті ретельних пошуків такі події було виявлено. Природа потужних компактних галооб'єктів ясна не до кінця. Швидше за все, це або зірки, що охолонули (коричневі карлики), або планетоподібні об'єкти, не пов'язані з зірками і що подорожують галактиці самі по собі. Ще один представник баріонної темної матерії – нещодавно виявлений у галактичних скупченнях методами рентгенівської астрономії гарячий газ, який не світиться у видимому діапазоні.

Небаріонна темна матерія

Як головні кандидати на небаріонну темну матерію виступають так звані WIMP (скорочення від англійської Weakly Interactive Massive Particles - слабко взаємодіючі масивні частинки). Особливість WIMP полягає в тому, що вони майже не проявляють себе у взаємодії із звичайною речовиною. Саме тому вони і є справжнісінька невидима темна матерія, і саме тому їх надзвичайно складно виявити. Маса WIMP повинна бути як мінімум у десятки разів більша за масу протона. Пошуки WIMP ведуться в багатьох експериментах протягом останніх 20–30 років, але, незважаючи на всі зусилля, вони досі не були виявлені.

Одна з ідей полягає в тому, що якщо такі частинки існують, то Земля у своєму русі разом із Сонцем по орбіті навколо центру Галактики має летіти крізь дощ, що складається з WIMP. Незважаючи на те, що WIMP є надзвичайно слабо взаємодіючою частинкою, якась дуже мала ймовірність провзаємодіяти зі звичайним атомом у неї все ж є. При цьому в спеціальних установках – дуже складних та дорогих – може бути зареєстрований сигнал. Кількість таких сигналів повинна змінюватися протягом року, оскільки, рухаючись орбітою навколо Сонця, Земля змінює свою швидкість і напрямок руху щодо вітру, що складається з WIMP. Експериментальна група DAMA, що працює в італійській підземній лабораторії Гран-Сассо, повідомляє про річні варіації швидкості рахунку сигналів, що спостерігаються. Однак інші групи поки що не підтверджують цих результатів, і питання по суті залишається відкритим.

Інший метод пошуку WIMP заснований на припущенні про те, що протягом мільярдів років свого існування різні астрономічні об'єкти (Земля, Сонце, центр нашої Галактики) повинні захоплювати WIMP, які накопичуються в центрі цих об'єктів, та, анігілюючи один з одним, породжувати потік нейтрино . Спроби детектування надлишкового нейтринного потоку з центру Землі в напрямку до Сонця та до центру Галактики були здійснені на підземних та підводних нейтринних детекторах MACRO, LVD (лабораторія Гран-Сассо), NT-200 (озеро Байкал, Росія), SuperKami -Амундсен, Південний полюс), але поки що не привели до позитивного результату.

Експерименти пошуку WIMP активно проводять також на прискорювачах елементарних частинок. Відповідно до знаменитого рівняння Ейнштейна Е=mс2, енергія еквівалентна масі. Отже, прискоривши частинку (наприклад, протон) до дуже високої енергії і зіштовхнувши її з іншою частинкою, можна очікувати народження пар інших частинок і античастинок (у тому числі WIMP), сумарна маса яких дорівнює сумарній енергії частинок, що стикаються. Але й прискорювальні експерименти поки що не привели до позитивного результату.

Темна енергія

Про темну енергію можна сказати ще менше, ніж про темну матерію. По-перше, вона рівномірно розподілена по Всесвіту, на відміну від звичайної речовини та інших форм темної матерії. У галактиках і скупченнях галактик її стільки ж, скільки поза ними. По-друге, вона має кілька дуже дивних властивостей, зрозуміти які можна, лише аналізуючи рівняння теорії відносності та інтерпретуючи їх рішення. Наприклад, темна енергія зазнає антигравітації: за рахунок її присутності темп розширення Всесвіту зростає. Темна енергія хіба що розштовхує себе, прискорюючи у своїй і розбігання нормальної матерії, зібраної в галактиках. А ще темна енергія має негативний тиск, завдяки якому в речовині виникає сила, що перешкоджає його розтягуванню.

Головний кандидат на роль темної енергії – вакуум. Щільність енергії вакууму не змінюється при розширенні Всесвіту, що відповідає негативному тиску. Ще один кандидат - гіпотетичне надслабке поле, що отримало назву квінтесенція. Надії на прояснення природи темної енергії пов'язують насамперед із новими астрономічними спостереженнями. Просування в цьому напрямі, безсумнівно, принесе людству радикально нові знання, оскільки у будь-якому разі темна енергія повинна бути абсолютно незвичайною субстанцією, абсолютно несхожою на те, з чим мала справу фізика досі.

Отже, наш світ на 95% складається із чогось, про що ми майже нічого не знаємо. Можна по-різному ставитися до такого факту, що не підлягає жодному сумніву. Він може викликати тривогу, яка завжди супроводжує зустріч із чимось невідомим. Або засмучення, тому що такий довгий і складний шлях побудови фізичної теорії, що описує властивості нашого світу, призвів до констатації: більшість Всесвіту прихована від нас і невідома нам.

Коли астрономи та фізики кажуть, що Всесвіт плоский, вони не мають на увазі, що Всесвіт плоский, як лист. Йдеться про властивість тривимірної площинності – евклідової (нескривленої) геометрії у трьох вимірах. В астрономії евклідів світ є зручною порівняльною моделлю навколишнього простору. Речовина у світі розподілено однорідно, тобто у одиниці обсягу міститься однакову кількість матерії, і ізотропно, тобто розподіл речовини однаково в усіх напрямах. Крім того, матерія там не еволюціонує (наприклад, не спалахують радіоджерела і не спалахують наднові), а простір описується найпростішою геометрією. Це дуже зручний світ для опису, але не для проживання, тому що там немає еволюції.

Зрозуміло, що така модель не відповідає наглядовим фактам. Речовина навколо нас розподілена неоднорідно і анізотропно (десь є зірки та галактики, а десь їх немає), скупчення матерії еволюціонують (змінюються з часом), а простір, як ми знаємо з експериментально підтвердженої теорії відносності, викривлено.

Що таке кривизна у тривимірному просторі? У евклідовому світі сума кутів будь-якого трикутника дорівнює 180 градусам - у всіх напрямках та у будь-якому обсязі. У неевклідовій геометрії – у викривленому просторі – сума кутів трикутника залежатиме від кривизни. Два класичні приклади - це трикутник на сфері, де кривизна позитивна, і трикутник на сідлоподібній поверхні, де кривизна негативна. У першому випадку сума кутів трикутника більша за 180 градусів, а у другому випадку - менша. Коли ми зазвичай говоримо про сферу або сідло, ми уявляємо собі викривлені двовимірні поверхні, що оточують тривимірні тіла. Коли ми говоримо про Всесвіт, треба розуміти, що ми переходимо до уявлень про тривимірному викривленому просторі - наприклад, говоримо вже не про двовимірну сферичну поверхню, а про тривимірну гіперсферу.

То чому Всесвіт плоский у тривимірному розумінні, якщо простір викривлено не лише скупченнями галактик, нашою Галактикою та Сонцем, але навіть Землею? У космології Всесвіт сприймається як цілий об'єкт. І як цілий об'єкт вона має певні властивості. Наприклад, починаючи з деяких дуже великих лінійних масштабів (тут можна розглядати і 60 мегапарсек [~180 млн світлових років], і 150 Мпк), речовина у Всесвіті розподілена однорідно та ізотропно. На менших масштабах спостерігаються скупчення та надскоплення галактик та порожнечі між ними – ввійди, тобто однорідність порушена.

Як можна виміряти площинність Всесвіту, якщо інформація про розподіл речовини в скупченнях обмежена чутливістю наших телескопів? Потрібно спостерігати в іншому діапазоні та інші об'єкти. Найкраще, що дала нам природа, - космічний мікрохвильовий фон, або , яке, відокремившись від речовини через 380 тисяч років після Великого вибуху, містить інформацію про розподіл цієї речовини буквально з перших миттєвостей існування Всесвіту.

Кривизна Всесвіту пов'язана з критичною щільністю, що дорівнює 3H 2 /8πG (де H - стала Хаббла, G - гравітаційна стала), яка визначає її форму. Величина параметра дуже маленька - близько 9.3×10 -27 кг/м 3 або 5,5 атомів водню на кубічний метр. Цей параметр розрізняє найпростіші космологічні моделі, побудовані на рівняннях Фрідмана, які описують: якщо щільність вища за критичну, то простір має позитивну кривизну і розширення Всесвіту в майбутньому зміниться стисненням; якщо нижче критичної, то простір має негативну кривизну та розширення буде вічним; при рівності щільності критичної розширення теж буде вічним із переходом у далекому майбутньому до евклідового світу.

Космологічні параметри, що описують щільність Всесвіту (а основні з них - це щільність темної енергії, щільність темної матерії та щільність баріонної [видимої] речовини), виражаються у вигляді ставлення до критичної щільності. За отриманими з вимірювань космічного мікрохвильового фонового випромінювання, відносна щільність темної енергії - ?

Якщо ми складемо всі енергетичні компоненти Всесвіту (щільності темної енергії, усієї речовини, а також менш значущі в нашу епоху щільності випромінювання та нейтрино та інші), то ми отримаємо щільність усієї енергії, яку виражають через ставлення до критичної щільності Всесвіту та позначають Ω 0 . Якщо ця відносна щільність дорівнює 1, то кривизна Всесвіту дорівнює 0. Відхилення 0 від одиниці описує щільність енергії Всесвіту K, пов'язану з кривизною. За вимірами рівня неоднорідностей (флуктуацій) розподілу реліктового фонового випромінювання визначаються всі параметри щільності, їхнє сумарне значення і, як наслідок, параметр кривизни Всесвіту.

За результатами спостережень при обліку лише даних реліктового випромінювання (температури, поляризації та лінзування), визначено, що параметр кривизни дуже близький до нуля в межах малих помилок: K = -0.004±0.015, - а з урахуванням даних по розподілу скупчень галактик і вимірювань швидкості розширення за даними про наднові типи Ia параметр Ω K = 0.0008±0.0040. Тобто Всесвіт плоский з високою точністю.

Чому це важливо? Площина Всесвіту - це один з основних покажчиків на епоху дуже швидкого, що описується інфляційною моделлю. Наприклад, у момент народження Всесвіт міг мати дуже велику кривизну, тоді як зараз за даними реліктового випромінювання відомо, що вона плоска. Інфляційне розширення робить її плоскою у всьому просторі, що спостерігається (маються на увазі, звичайно, великі масштаби, на яких викривлення простору зірками і галактиками не є суттєвим) так само, як збільшення радіуса кола випрямляє останню, і з нескінченним радіусом коло виглядає як пряме.