5. Тёмная энергия и тёмная материя

Определения и обозначения

Тёмная материя — невидимая форма материи, существование которой обнаруживают по её гравитационному воздействию на звёзды, галактики и свет. Иначе говоря, её не наблюдают как светящийся объект, но замечают последствия её массы. Это понятие нужно, чтобы объяснять движения и гравитационные эффекты, которые не удаётся объяснить одним видимым веществом.

Тёмная энергия — условное название неизвестной составляющей Вселенной, с которой связывают ускоренное расширение пространства. Это не установленное вещество с известным составом, а обозначение возможной причины наблюдаемого космического эффекта. Понятие используют, когда объясняют, почему расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется.

Ускоренное расширение Вселенной — увеличение темпа удаления далёких галактик друг от друга со временем. Речь идёт не о движении галактик сквозь неподвижное пространство, а об изменении расстояний при расширении самого пространства. Этот термин нужен, чтобы точно описать наблюдение, которое связывают с тёмной энергией.

Космологическая постоянная — возможное описание тёмной энергии как постоянной плотности энергии пространства. В таком представлении её значение не меняется от места к месту и со временем. Это один из вариантов объяснения, а не доказательство того, что природа тёмной энергии уже известна.

Как это устроено

В галактиках звёзды движутся под действием гравитации, поэтому их скорости зависят от того, как распределена масса. Если учитывать только видимые звёзды и газ, расчёты могут предсказывать движение, отличающееся от наблюдаемого. Причина расхождения в том, что часть гравитирующей массы может не излучать заметного света. Сходная проблема возникает при изучении движения галактик внутри скоплений: видимого вещества бывает недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемое гравитационное взаимодействие.

Чтобы объяснить расхождения, учёные предполагают наличие дополнительной невидимой массы. Она притягивает обычное вещество, хотя сама не видна напрямую, поэтому её присутствие проявляется в движении звёзд и галактик. Такая гипотеза не сообщает, из чего именно состоит тёмная материя: это пока неизвестно. Она позволяет связать наблюдаемые эффекты с гравитацией и учитывать скрытую массу при описании космических структур.

Гравитация влияет не только на движение массивных тел, но и на путь света. Если свет далёкого объекта проходит рядом с большой массой, его направление меняется; это явление называют гравитационным отклонением света. По тому, насколько сильно искажено изображение далёкой галактики, можно оценить массу, вызвавшую отклонение. Если эта оценка превышает массу, объяснимую видимыми объектами на пути луча, различие может указывать на невидимую материю.

Расширение Вселенной исследуют, наблюдая далёкие космические объекты, в том числе сверхновые — яркие события, связанные со взрывами звёзд. По их наблюдаемым свойствам и расстояниям учёные выясняют, как менялось расширение Вселенной в разные эпохи. Результаты показали, что на поздних этапах темп расширения возрастает. Чтобы описать это ускорение, вводят понятие тёмной энергии, хотя её физическая природа остаётся неизвестной.

Тёмная материя и тёмная энергия отвечают на разные вопросы. Первая проявляется через притяжение: дополнительная масса влияет на движения тел и помогает объяснить формирование и удержание галактик и других структур. Вторая связана не с дополнительным притяжением в отдельной галактике, а с ускоренным расширением пространства в масштабе Вселенной. Поэтому одинаковое слово «тёмная» не означает, что речь идёт об одном и том же явлении.

Тёмная материя и тёмная энергия

Пользуйся таблицей, чтобы сначала определить, какое наблюдение нужно объяснить: движение и притяжение или ускорение расширения. Затем сопоставь его с подходящей составляющей Вселенной. Последняя строка напоминает, что объяснение наблюдений не означает, будто состав этих составляющих уже известен.

Разбор задач

Звёзды на окраинах галактики движутся быстрее, чем предсказывает расчёт, учитывающий только видимое вещество. Объясните, какой вывод можно сделать.

1. Сначала установим, что сравниваются две вещи: наблюдаемая скорость звёзд и скорость, предсказанная при учёте только видимой массы. Расчёт не объясняет наблюдение, значит, в модели может не хватать гравитирующей массы. Нельзя сразу заключить, что все детали устройства галактики уже известны.

2. Дополнительная масса усилила бы гравитационное притяжение и повлияла на движение звёзд. Если эта масса не излучает заметного света, обычные наблюдения её не показывают. Так возникает гипотеза о невидимом компоненте галактики.

3. Сопоставим гипотезу с определением: тёмную материю как раз обнаруживают по её гравитационному воздействию. Наблюдаемое расхождение служит свидетельством в её пользу, хотя само по себе не раскрывает природу невидимой массы. Проверять вывод нужно и по другим независимым проявлениям гравитации.

Ответ: движение звёзд может указывать на дополнительную невидимую массу, то есть служить свидетельством в пользу тёмной материи.

Свет далёкой галактики отклоняется сильнее, чем можно ожидать по распределению видимого вещества на его пути. Как это наблюдение может помочь обнаружить тёмную материю?

1. Вспомним, что направление света меняется под действием гравитации. Следовательно, отклонение света позволяет судить о массах, расположенных рядом с его путём. Чем заметнее отклонение, тем сильнее гравитационное воздействие, если остальные условия сравнимы.

2. Сначала оценивают ожидаемый эффект от известных звёзд, галактик и других видимых объектов. Затем сравнивают эту оценку с наблюдаемым отклонением. Если оно сильнее, видимое вещество не объясняет всю гравитацию, влияющую на луч.

3. Недостающую часть воздействия можно связать с дополнительной невидимой массой. Это не значит, что тёмную материю увидели непосредственно: её наличие выводят по действию на свет. Чем точнее известны видимые массы и условия наблюдения, тем надёжнее такое сравнение.

Ответ: более сильное, чем ожидается, отклонение света может указывать на невидимую массу и помочь обнаружить тёмную материю по её гравитации.

По наблюдениям далёких сверхновых установлено, что расширение Вселенной ускоряется. Определите, с каким понятием связывают это явление, и отличите его от объяснения движения звёзд в галактиках.

1. Выделим наблюдение: речь идёт об изменении темпа расширения Вселенной, а не о скоростях отдельных звёзд внутри галактики. Далёкие сверхновые дают данные, по которым сравнивают расширение в разные эпохи. Ускорение означает, что темп удаления далёких галактик со временем увеличивается.

2. Такое ускоренное расширение связывают с тёмной энергией. Это название неизвестной составляющей или возможного эффекта, используемое для объяснения наблюдений. Одно из возможных описаний — космологическая постоянная, но состав тёмной энергии не установлен.

3. Теперь сравним с движением звёзд в галактике: там расхождение с расчётом по видимому веществу указывает на дополнительное гравитационное притяжение. Его связывают с тёмной материей, а не с тёмной энергией. Значит, при выборе понятия нужно ориентироваться на масштаб и тип наблюдаемого эффекта.

Ответ: ускорение расширения связывают с тёмной энергией; движение звёзд в галактиках объясняют дополнительной гравитационной массой, то есть тёмной материей.

Типичные ошибки

Ошибка — считать тёмную материю и тёмную энергию одним и тем же. Их объединяет то, что их не наблюдают напрямую, поэтому такое смешение кажется естественным. Но они объясняют разные наблюдения: гравитационное влияние массы и ускорение расширения. Проверь себя: если речь о движении звёзд, это тёмная материя; если об ускорении расширения — тёмная энергия.

Ошибка — утверждать, что тёмная материя не взаимодействует с гравитацией. Её нельзя увидеть напрямую, и это иногда ошибочно принимают за отсутствие любых взаимодействий. На самом деле именно гравитационное влияние позволяет судить о её присутствии. Проверка простая: если объяснение никак не связано с гравитацией, оно не подходит к определению тёмной материи.

Ошибка — представлять тёмную энергию как обычное вещество, рассеянное между галактиками. Такую картину легко вообразить по аналогии с газом или пылью, но из неё не следует наблюдаемое ускорение расширения. Тёмную энергию связывают с поведением расширяющегося пространства, а не описывают как обычные частицы вещества. Сверь объяснение с эффектом, который оно должно объяснить.

Ошибка — считать, что природа тёмной материи и тёмной энергии уже точно установлена. Наличие убедительных наблюдательных свидетельств не равнозначно знанию состава и механизма. Для тёмной энергии космологическая постоянная — возможное описание, а не окончательное раскрытие её природы. Проверяй себя: разделяй наблюдаемый эффект, гипотезу о его причине и то, что подтверждено окончательно.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления о гравитации, массе и движении небесных тел, а также о том, как свет распространяется и отклоняется в поле тяготения. Наблюдения расширения Вселенной связаны с законом Хаббла, который изучают в астрономии и космологии. Понятия тёмной материи и тёмной энергии используют, чтобы описывать строение галактик, эволюцию Вселенной и возможные сценарии её будущего.

Что запомнить

• Тёмную материю обнаруживают по её гравитационному воздействию.
• Тёмная материя помогает объяснить наблюдаемое движение звёзд и галактик.
• Гравитационное отклонение света может указывать на присутствие невидимой массы.
• Тёмную энергию связывают с ускоренным расширением Вселенной.
• Тёмная материя и тёмная энергия — разные понятия.
• Природа обеих составляющих пока не установлена окончательно.