всего, что только можете придумать, включая обычные ингредиенты, такие как нормальная материя, излучение и нейтрино, черные дыры, гравитационные волны или даже гипотетические сущности, как темное вещество и темная энергия.
Эти разные ингредиенты по-разному влияют на Вселенную, и довольно легко понять, почему. Все, что вам нужно сделать, это представить себе Вселенную такой, какой она была давным-давно, когда была меньше, горячее, плотнее и однороднее, и представить себе, как она будет развиваться с течением времени. Вселенная будет расширяться, но разные виды энергии будут вести себя по-разному. Несмотря на то, что Вселенная расширяется, отдельные связанные объекты внутри нее больше не расширяются. Однако мы не знаем наверняка, как на их размеры может повлиять расширение Вселенной.
Обычное вещество, например, будет становиться более разреженным по мере расширения Вселенной: количество частиц вещества остается неизменным, но объем, увеличивается, поэтому плотность вещества уменьшается. Однако частицы вещества будет притягиваться друг к другу. Это означает, что области пространства с плотностью немного выше средней будут предпочтительно притягивать к себе больше окружающей материи, чем другие, в то время как области с плотностью немного ниже средней будут иметь тенденцию расширяться и становиться более разреженными. Со временем Вселенная не только становится более разреженной, но в ней вырастают плотные структуры сначала в небольших масштабах, а со временем - в более крупных.
С другой стороны, по мере расширения Вселенной излучение не только становится более разреженным, но и теряет энергию. Это связано с тем, что количество фотонов, как и количество протонов, нейтронов или электронов, также фиксировано, поэтому с увеличением объема плотность энергии уменьшается. Но энергия каждого отдельного фотона, определяемая его длиной волны, также будет уменьшаться по мере расширения Вселенной; по мере увеличения расстояния между любыми двумя точками. Увеличивается и длина волны фотона, движущегося через Вселенную, что приводит к потере энергии.
Рисунок Анимация
Эта упрощенная анимация показывает, как изменяется красное смещение света и как со временем меняются расстояния между несвязанными объектами в расширяющейся Вселенной. Обратите внимание: из-за расширения пространства две удаляющиеся друг от друга галактики со временем оказываются дальше друг от друга, чем путь, по которому проходит свет между этими галактиками.
Когда мы смотрим на галактики, группы и скопления галактик и даже на массивную огромную космическую сеть галактик, сформировавшуюся за миллиарды лет, мы можем исследовать:
внутренние свойства галактик, такие, как скорость движения звезд, газа и других компонентов внутри галактик в зависимости от расстояния до центра,
свойство галактик собираться в скопления - то есть насколько вероятно, что вы найдете другую галактику на определенном расстоянии от данной галактики,
насколько галактики массивны, исходя из вызываемых ими гравитационных эффектов, таких, как линзирование,
где (и сколько) находится нормальное вещество, из которого состоят эти объекты, включая газ, пыль, звезды, плазму и многое другое.
Наблюдаемой нами материи - всего нормального вещества и излучения, которые должны существовать во Вселенной - недостаточно для объяснения того, что мы наблюдаем.
Рисунок Галактики
Галактика, которой управляло только обычное вещество (L), будет показывать гораздо более низкие скорости вращения на окраинах, чем ближе к центру, подобно тому, как движутся планеты в Солнечной системе. Однако наблюдения показывают, что скорости вращения в значительной степени не зависят от расстояния (R) до центра галактики. Это приводит к выводу, что должно присутствовать большое количество невидимого или темного вещества.
Все эти наблюдаемые явления реальны. У нас есть примеры того, что это происходит с множеством объектов, и чрезвычайно мало объектов, которые не демонстрируют несоответствия между нормальным веществом и эффектами гравитации. Нам немного повезло, поскольку есть только один ингредиент, который, если мы добавим его во Вселенную, может привести мироздание в порядок: темное вещество.
Если, помимо обычного вещества, вы добавите еще один ингредиент, а именно:
холодный, в том смысле, что он движется медленно по сравнению со скоростью света,
бесстолкновительный, в том смысле, что он не сталкивается и не обменивается импульсом ни с нормальным веществом, ни с излучением, ни с другими частицами темного вещества,
темный, в том смысле, что он невидим и прозрачен для излучения и нормального вещества,
является веществом в том смысле, что обладает массой и притягивает.
Все эти и многие другие явления внезапно совпадают с предсказаниями Эйнштейна о гравитации.
Есть немало ученых, которые думают иначе и развивают теории модификации гравитации. Эти теории объясняют некоторые из наблюдаемых явлений, происходящих в малых космических масштабах (несколько миллионов световых лет или меньше), так же хорошо или даже лучше, чем темное вещество. Но любая модификация, которую вы вносите, требует также включения чего-то, что неотличимо похоже на темное вещество. Это делает темное вещество чрезвычайно привлекательным кандидатом на нечто новое, существующее в нашей Вселенной.
Рисунок Вселенная
Детальный взгляд на Вселенную показывает, что она состоит из вещества, а не из антивещества, что требуется темное вещество и темная энергия, и что мы не знаем ответов ни на одну из этих загадок. Однако флуктуации реликтового излучения, формирование и корреляции между крупномасштабной структурой и современные наблюдения гравитационного линзирования - все указывает на одну и ту же картину.
Однако есть еще одно важное свидетельство, о котором мы не говорили: космический микроволновый фон. Если вы начнете моделировать Вселенную в самые ранние моменты после горячего Большого взрыва и добавите ингредиенты, которые, как мы ожидаем, там будут, вы обнаружите, что к тому времени, когда Вселенная расширится и охладится достаточно, чтобы мы могли сформировать нейтральные атомы, в оставшемся свечении Большого взрыва возникнет структура температурных флуктуаций, которая проявляется в зависимости от масштаба: тепловое излучение, которое к настоящему времени перешло из-за красного смещения в микроволновый диапазон. Само излучение было впервые обнаружено в середине 1960-х годов, но измерить неоднородности почти однородного фона - непростая задача, потому что самые горячие участки неба лишь примерно на 0,01% теплее самых холодных.
По-настоящему измерять эти изначальные космические неоднородности начали только в 1990-х годах с помощью спутника COBE, результаты которого были затем подтверждены на спутниках BOOMERanG, WMAP, Planck и других. Сегодня ученые измерили температуру всего микроволнового неба в девяти различных диапазонах длин волн с точностью до микрокельвина, вплоть до угловых масштабов до 0,05 градуса. По мере того, как спутники улучшаются в своих возможностях, они исследуют меньшие масштабы, большее количество частотных диапазонов и меньшую разницу температур в космическом микроволновом фоне. Температурные неоднородности помогают понять, из чего состоит Вселенная и как она развивалась, создавая картину, которая требует, чтобы темное вещество имело смысл.
Рисунок Шаблон
Шаблон колебаний, который вы видите на
