Имея в виду определение массы дома и его содержимого, вы можете вообразить следующую ситуацию. Вы поднимаете дом и помещаете его на гигантские весы. Допустим, вы измеряете массу в 45 000 килограмм. Теперь представьте, что вы хотите узнать, как каждая вещь внутри дома влияет на общую массу. Вы извлекаете по одной вещи и помещаете ее на весы. Вы даже исключаете воздух, чтобы учесть его массу. Предположим, масса отдельных объектов, включая пол, стены и крышу дома, составляет 2 200 килограммов. Как бы вы объяснили эту разницу в массах? Пришли бы вы к выводу, что внутри дома должен быть какой-то невидимый материал, делающий конструкцию более тяжелой?
Загадка Вселенной
Вот уже 40 лет астрономы сталкиваются с подобной загадкой, пытаясь определить строительные блоки вселенной. Ранее они думали, что вселенная содержит только нормальное вещество — то, что вы видите. Взгляните на космос, и это кажется очевидным.
Существует бесчисленное количество галактик, каждая из которых наполнена миллиардами звезд. Вокруг некоторых из этих звезд планеты и их луны движутся по эллиптическим орбитам. И между этими большими сферическими объектами находятся неправильной формы объекты, размером от огромных астероидов до камней размером с метеориты и крошечных частиц не больше зерна пыли. Астрономы классифицируют все это как барионное вещество, и они (и мы) знают его наиболее фундаментальную единицу — атом, который сам по себе состоит из еще более мелких субатомных частиц, таких как протоны, нейтроны и электроны.
В начале 1970-х годов астрономы начали собирать доказательства, которые заставили их подозревать, что во вселенной есть нечто большее, чем видно невооруженным глазом
Одним из самых больших ключей было определение масс галактик. Они делали это, измеряя ускорение облаков, вращающихся на внешних краях галактики, что позволяло им расчитать массу, необходимую для вызывания этого ускорения. Их результаты были удивительными: масса, стоящая за ускорением орбит облаков в галактике, была в пять раз больше массы видимого вещества — звезд и газа — распределенного по галактике. Они пришли к выводу, что вокруг галактики должно быть невидимое вещество, удерживающее ее вместе. Они назвали это вещество темной материей, заимствуя термин, впервые использованный швейцарским астрономом Фрицем Цвикки в 1930-х годах.
Через двадцать лет ученые заметили, что сверхновые типа Ia — умирающие звезды, у которых есть одинаковая внутренняя яркость — находились дальше от нашей галактики, чем следовало бы. Чтобы объяснить это наблюдение, они предположили, что расширение вселенной на самом деле ускоряется. Это было загадочно, потому что гравитация, присущая темной материи, должна была бы быть достаточно сильной, чтобы предотвратить такое расширение.
Могло ли какое-то другое вещество, что-то с антигравитационным эффектом, вызывать быстрое расширение вселенной? Астрономы верили в это, и они назвали это вещество темной энергией.
Открытие с использованием WMAP
Десятилетиями космологи и теоретические физики спорили о существовании темной материи и темной энергии. Затем в июне 2001 года NASA запустила спутник Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, или WMAP. Приборы на этом аппарате сделали самое подробное изображение космического микроволнового фона — остаточное излучение, оставшееся после Большого взрыва. Это позволило астрономам с большой точностью измерить плотность и состав вселенной. Вот что установил WMAP: барионное вещество составляет всего 4,6 процента вселенной. Темная материя составляет всего 23 процента. И темная энергия составляет остальное — целых 72 процента.
Поиски решения загадки
Конечно же, измерение относительных пропорций строительных блоков вселенной — это только начало. Теперь ученые надеются идентифицировать вероятных кандидатов на роль темной материи. Одним из вероятных кандидатов считаются коричневые карлики. Эти звездоподобные объекты не являются светящимися, но их интенсивное гравитационное воздействие на окружающие объекты предоставляет подсказки о их существовании и местоположении.
Сверхмассивные черные дыры также могут объяснить наличие темной материи во вселенной. Астрономы предполагают, что эти космические черные дыры могут питать далекие квазары и быть гораздо более распространенными, чем когда-либо предполагалось.
Наконец, темная материя может состоять из типа частиц, о которых еще не описано. Эти мельчайшие частицы могут существовать глубоко внутри атома и могут быть обнаружены в одном из мировых суперколлайдеров, таких как Большой адронный коллайдер.
Разгадывание этой тайны остается одним из высших приоритетов науки. Пока не будет найдено решение, нам придется принять уничтожающую идею, что дом, который мы пытались взвесить в течение многих лет, тяжелее, чем мы ожидали, и, что более тревожно, находится за пределами нашего понимания.
