5. Тёмная энергия и тёмная материя

Определения и обозначения

Тёмная материя — невидимая форма материи, обнаруживаемая по её гравитационному воздействию на звёзды, галактики и свет. Она не излучает заметного света, поэтому её нельзя увидеть обычным телескопом. Понятие нужно, чтобы объяснить движения небесных тел, которые не согласуются с массой видимого вещества.

Тёмная энергия — неизвестная форма энергии, связанная с ускоренным расширением Вселенной. Она не собирается в обычные космические структуры, а проявляется на огромных расстояниях. Это понятие помогает описать, почему расширение Вселенной со временем не замедляется, а ускоряется.

Космологическая постоянная — возможное описание тёмной энергии как постоянной плотности энергии вакуума. В таком представлении её количество в единице объёма не меняется при расширении пространства. Космологическая постоянная нужна как простой параметр модели, но не раскрывает физическую природу тёмной энергии.

Космологическая модель — модель строения и эволюции Вселенной, учитывающая обычную материю, тёмную материю и тёмную энергию. Она связывает наблюдения с законами физики и позволяет рассчитывать, как менялась Вселенная. Сравнение долей компонентов показывает, какую часть космического содержания мы понимаем непосредственно.

Как это устроено

Звезда обращается вокруг центра галактики под действием притяжения всей массы, расположенной внутри её орбиты. Если учитывать только видимые звёзды и газ, на больших расстояниях скорость должна уменьшаться, как у планет, удалённых от Солнца. Наблюдаемая скорость часто остаётся высокой, поэтому для удержания звезды требуется дополнительная невидимая масса — так возникла гипотеза тёмной материи.

Гравитационное линзирование возникает, когда массивный объект искривляет пространство и отклоняет проходящий свет. По смещению или искажению изображения далёкой галактики можно оценить, сколько массы находится между ней и наблюдателем. Если искривление сильнее, чем допускает видимое вещество, это указывает на распределение тёмной материи.

Расширение Вселенной обнаруживают по разбеганию галактик и красному смещению их спектральных линий. Наблюдения далёких сверхновых показали, что в прошлом расширение было медленнее, чем сейчас. Причина такого результата связывается с тёмной энергией, которая на космических масштабах приводит к ускорению расширения пространства.

Тёмная материя и тёмная энергия влияют на Вселенную противоположным образом. Дополнительная масса тёмной материи усиливает гравитационное притяжение и способствует образованию галактик и скоплений. Тёмная энергия не стягивает вещество в структуры, а связана с ускоренным увеличением масштабов пространства.

Современная космологическая модель показывает, что обычная материя составляет лишь небольшую часть Вселенной. Около 27% приходится на тёмную материю, а примерно 68% — на тёмную энергию, поэтому видимое вещество не определяет всю картину. Такие оценки хорошо согласуются с разными наблюдениями, но частицы тёмной материи и физическая природа тёмной энергии пока не установлены.

Сравнение обычной материи, тёмной материи и тёмной энергии

В таблице нужно различать наблюдаемый способ проявления и физическую природу компонента. Доли относятся ко всей Вселенной, а не к отдельной галактике. Особенно полезно сопоставить последнюю строку с первой: невидимость не означает отсутствие гравитационного влияния.

Разбор задач

Движение звезды вокруг центра галактики

Сравним звезду на окраине галактики с планетой, обращающейся вокруг Солнца. Для кругового движения скорость определяется массой, создающей гравитационное поле внутри орбиты: чем больше эта масса, тем выше возможная скорость. Поэтому необычно большая скорость звезды означает, что кроме видимых звёзд и газа присутствует дополнительная масса.

1. Записываем условие устойчивой орбиты: гравитация должна обеспечивать центростремительное ускорение.
2. Из равенства гравитационной и центростремительной сил следует M = v²r/G.
3. Если найденная масса заметно превосходит массу видимого вещества, делаем вывод о наличии тёмной материи.

Ответ: высокая скорость звезды указывает на невидимую массу, создающую дополнительное притяжение. Это не прямое наблюдение частиц, а вывод по их гравитационному действию.

Масса внутри орбиты

Дано: r = 10 кпк, v = 200 км/с. Переведём величины в СИ: 1 кпк ≈ 3,086·10¹⁹ м, поэтому r ≈ 3,086·10²⁰ м, а v = 2,00·10⁵ м/с. Используем M = v²r/G, где G ≈ 6,67·10⁻¹¹ Н·м²/кг².

1. Находим квадрат скорости: v² = 4,00·10¹⁰ м²/с².
2. Подставляем данные: M ≈ (4,00·10¹⁰ · 3,086·10²⁰)/(6,67·10⁻¹¹) ≈ 1,85·10⁴¹ кг.
3. Делим на массу Солнца 1,99·10³⁰ кг и получаем примерно 9,3·10¹⁰ солнечных масс.

Ответ: внутри орбиты должна находиться масса около 1,85·10⁴¹ кг, или 9,3·10¹⁰ масс Солнца. Если видимого вещества меньше, его недостаток объясняется тёмной материей.

Плотности тёмных компонентов

Критическая плотность равна ρкр = 9,0·10⁻²⁷ кг/м³. Доля тёмной материи составляет 0,27, а доля тёмной энергии — 0,68. Плотность каждого компонента найдём умножением критической плотности на его долю.

1. Для тёмной материи: ρтм = 9,0·10⁻²⁷ · 0,27 = 2,43·10⁻²⁷ кг/м³.
2. Для тёмной энергии: ρтэ = 9,0·10⁻²⁷ · 0,68 = 6,12·10⁻²⁷ кг/м³.
3. Сравниваем результаты: плотность тёмной энергии примерно в 2,5 раза больше плотности тёмной материи.

Ответ: ρтм = 2,43·10⁻²⁷ кг/м³, ρтэ = 6,12·10⁻²⁷ кг/м³. Обе величины очень малы в обычных единицах, но действуют на масштабах всей Вселенной.

Типичные ошибки

Ошибка: считать тёмную материю и тёмную энергию одним объектом. Их путают из-за общего слова «тёмная», но первая усиливает притяжение, а вторая связана с ускорением расширения. Проверка: отдельно ответьте, влияет ли компонент на движение внутри галактики или на масштаб Вселенной.

Ошибка: утверждать, что тёмная материя совсем ни с чем не взаимодействует. Она почти не взаимодействует со светом, но её гравитационное действие наблюдается. Проверка: замените фразу «не взаимодействует» на точную: «не обнаруживается электромагнитными способами».

Ошибка: представлять ускоренное расширение как обязательное ускорение галактик обычной силой. Речь идёт прежде всего об изменении масштабов самого пространства между удалёнными объектами. Проверка: различайте движение объекта сквозь пространство и расширение пространства.

Ошибка: переносить космологические доли на отдельную галактику. Значения 5%, 27% и 68% описывают состав всей наблюдаемой Вселенной в принятой модели. Проверка: каждый раз уточняйте масштаб, к которому относится число.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны закон всемирного тяготения, движение по окружности, а также понятия массы и плотности. Формула M = v²r/G связывает наблюдаемую скорость звезды с массой, создающей её орбиту.

Тема опирается на закон Хаббла и представление о расширении Вселенной. Более полное описание гравитации и космологических масштабов даёт общая теория относительности.

Эти понятия применяются при изучении строения галактик, гравитационного линзирования и эволюции Вселенной. Они помогают связать наблюдения света и движения небесных тел с космологическими моделями.

Что запомнить

• Тёмная материя не излучает свет, но создаёт гравитационное поле.
• О наличии тёмной материи судят по движению небесных тел и гравитационному линзированию.
• Тёмная энергия связана с ускоренным расширением Вселенной.
• Тёмная материя усиливает гравитационное притяжение, а тёмная энергия проявляется на космологических масштабах как фактор ускорения расширения.
• Природа тёмной материи и тёмной энергии пока окончательно не установлена.
• В современной модели Вселенной тёмная энергия составляет примерно 68%, тёмная материя — около 27%, обычная материя — около 5%.