Что такое темная энергия и чем она отличается от темной материи
Обыватели часто путают темную энергию с темной материей. Однако это совсем разные понятия, хоть оба и выглядят так, будто их достали из лексикона Дарта Вейдера из саги «Звездные войны».
Для астрофизиков темная материя и темная энергия отвечают за разные свойства нашей Вселенной. Как «красно-белые» и «Красное и белое»: если первые ассоциируются с футбольной командой «Спартак» и спортом, то второе – с тем, что обычно спортсменам принимать не рекомендуется. А звучит-то похоже!
Единственное, что объединяет темную материю и темную энергию, – то, что они обе… темные, простите за каламбур! Их трудно обнаружить, и они обе заметны только по косвенным признакам.
Темная энергия – это гипотетический вид энергии. Это понятие ввели в физику, чтобы объяснить, почему Вселенная расширяется с ускорением.
Если разложить Вселенную на массу-энергию, то, согласно данным космической обсерватории Планка, получится, что примерно 68 % приходится на темную энергию, 27 % – на темную материю и лишь 5 % – на наблюдаемое вещество.
Если темная материя обладает гравитацией и не участвует в других видах взаимодействий, то темная энергия представляет собой, напротив, антигравитацию. Вместо притяжения она отталкивает.
Темная материя собирает звезды в галактики и с помощью гравитации не дает им разлететься. Темная энергия отталкивает пространство, заставляя его расширяться с ускорением.
Итак, что-то заставляет Вселенную вести себя не так, как предсказывают наши законы физики. Мы узнали, что Вселенная расширяется со все возрастающей скоростью. И этот процесс, очевидно, требует энергии. Ведь после Большого взрыва расширение Вселенной должно было бы замедляться!
Расширение Вселенной с ускорением – наблюдаемый факт. Однако описать этот процесс исходя из наблюдаемой материи и энергии невозможно. Существует некая скрытая энергия – неизвестный вид энергии с отрицательным давлением, который как бы отталкивает пространство.
Чтобы понять, как проявляет себя темная энергия, представьте себе игру с мячом. Вы высоко подбрасываете мяч. Он сперва летит вверх, а потом, под действием гравитации, начинает возвращаться.
А теперь представьте, что вы подбросили мяч, но он не просто улетел вверх, а продолжил ускоряться. И улетел так далеко, что вылетел в космическое пространство. Как будто гравитация сообщала ему дополнительный импульс, отталкивала его.
Вот примерно так и ведет себя темная энергия, когда речь идет о наблюдениях за далекими галактиками.
Существует несколько гипотез, что представляет собой темная энергия. Она равномерно заполняет пространство. И является константой – неизменной энергетической плотностью. То есть темная энергия – это свойство космоса. Альберт Эйнштейн был первым, кто понял, что пустое пространство – это не ничто. Гипотетически темная энергия – это специфическая потенциальная энергия, оставшаяся со времени появления нашей Вселенной. Темная энергия – модифицированная гравитация на огромных расстояниях. То есть на расстояниях уровня наблюдаемой части Вселенной гравитация начинает вести себя как-то иначе. Не так, как мы описываем ее в привычной нам форме.
Возможно, открытие феномена темной материи поможет в будущем приблизиться к разгадке и темной энергии.
Глава 22Структура вселенной и человеческого мозга
Материя во Вселенной и в человеческом мозге могла формироваться по одному и тому же закону. Неожиданная гипотеза.
Вселенная напоминает гигантскую паутину, где светящиеся волокна – скопления галактик, а между ними – пустоты. В пустотах практически нет светящейся материи. Советский физик Яков Зельдович заметил эту закономерность и развивал теорию о нитевидной структуре Вселенной.
Удивительное свойство нашего мира – много структур, очень похожих друг на друга. Причем они могут отличаться размерами в миллиарды раз! А Вселенная по структуре очень напоминает устройство нашего мозга, нейроны в котором распределяются по похожему принципу.
Ученые из Болонского университета пошли дальше. Сравнили уже не отдельные клетки, а структуры. Слева вы видите структуру мозжечка под микроскопом. А справа – часть структуры Вселенной. Для оценки идентичности итальянские астрофизики привлекли нейрохирургов, и те подтвердили схожесть.
Ученые сделали любопытный вывод в журнале Frontiers of Physics. Пусть есть разница по масштабам в октиллион раз (это единица с 27 нулями), но структуры близки. А значит, физические процессы, которые привели к структурированию материи и в мозге, и в космосе, действовали по схожим законам. Вот структуры и получились одинаковыми.
«Вероятно, взаимосвязи внутри структуры устанавливаются по схожим физическим принципам. При этом очевидно, что галактики и нейроны формировали разные физические силы», – объясняет соавтор исследования, нейрохирург Веронского университета Альберто Фелетти.
Удивительны совпадения микро– и мегамиров. Аналогия прослеживается между звездными системами и атомами. Ведь электроны напоминают те же планеты. А ядро атома – Солнце.
Совершенно точно есть какая-то удивительная симметрия в нашем мире. Пока мы ее фиксируем визуально, но не можем объяснить. Уверен, что рано или поздно наука откроет, с чем связаны эти закономерности. Интересно, при нашей ли жизни?
Конечно, это может быть и простым совпадением. Ведь возможно и то, и то: либо законы организации материи едины и развивались по одному сценарию, либо их сходство является случайным совпадением.
Но авторы исследования уверены: материя во Вселенной и в человеческом мозге формировалась по одному закону. Теперь осталось только его открыть.
Глава 23Быстрые радиовсплески
Весь космос пронизывают быстрые радиовсплески. Почему астрофизики хотят разгадать их тайну?
Если вы когда-либо слушали радио на коротких волнах, то наверняка помните, что там постоянно слышны помехи. Что-то постоянно трещит и щелкает. Примерно то же самое происходит в космосе. До нас из космоса доходит шум, состоящий из непонятных сигналов.
Но в XXI веке астрономы научились выделять странные астрономические сигналы, которые получили название быстрых радиовсплесков. Астрофизики улавливают быстрые радиовсплески с помощью радиотелескопов. Эти радиовсплески представляют собой одиночные импульсы, которые длятся всего несколько миллисекунд. Их природа остается неизвестной.
В какую бы часть Вселенной мы ни посмотрели, их фиксируют отовсюду. Радиовсплески идут от самых разных галактик – как старых, так и новых, как мелких, так и огромных.
Впервые быстрые радиовсплески обнаружили в 2007 году астрофизики из Университета Западной Вирджинии. Местный аспирант Дэвид Наркевич анализировал данные, полученные с телескопа, и обратил внимание на крайне необычный радиосигнал.
Удивительно, но за миллисекунды при этом сигнале выделилось столько энергии, сколько Солнце испускает за несколько десятков тысяч лет.
Сигнал пришел из точки, которая находится в 3 градусах от Малого Магелланова Облака. Точка располагалась на расстоянии 3 миллиардов световых лет от Земли. Ученые продолжили следить за ней, но импульс не повторился.
Это было уникальным событием, так как аналогичные всплески – это периодические события, которые повторяются со временем. Например, по такой схеме испускают пульсары. А здесь всплеск происходил единоразово.
Дальше оказалось еще загадочнее. Подобные события происходят регулярно. Испускаются в том числе и из тех точек, где их регистрировали ранее. Но без какого-либо периода.
Только в 2020 году удалось отловить источник одной из серий быстрых радиовсплесков. Этим источником оказался магнетар в созвездии Лисички, который расположен в нашей галактике.
Другой сигнал пришел из эллиптической галактики в созвездии Большого Пса. Скорее всего, причиной стало столкновение нейтронных звезд. Но по остальным быстрым радиовсплескам вопрос остается открытым.
Итак, одними из кандидатов на роль генератора быстрых радиовсплесков являются магнетары. Что это за объекты?
Магнетары
Магнетар – нейтронная звезда с очень сильным магнитным полем. Это самые сильные магниты во Вселенной. Возникает логичный вопрос: а откуда у объекта, состоящего из нейтронов, мощное магнитное поле?
По факту, плотное нейтронное вещество находится ближе к ядру. А в коре нейтронной звезды бурлит жизнь из заряженных частиц.
Диаметр магнетара составляет 20–30 километров, при этом в них содержится масса больше солнечной. Получается это за счет колоссальной плотности. Горошина вещества магнетара диаметром 1 сантиметр весит свыше 100 миллионов тонн.
Вещество магнетара плотно сжато, ведь гравитация здесь достигает такого масштаба, что электроны буквально вдавливаются в протоны.
Магнетары не очень стабильны: срок их жизни не превышает 1 миллиона лет, что очень мало по космическим меркам (на фоне звездных возрастов в 10 и более миллиардов лет).
Всплески, порождаемые ими, по гипотезе современной астрофизики, – это разрыв коры магнетара. В этот разрыв и устремляется вещество. Поэтому за короткий промежуток времени магнетар может испускать энергию, эквивалентную излучению Солнца за годы.
Почему открытие природы быстрых радиовсплесков так важно для науки
Быстрые радиовсплески до конца непонятны ученым, и это делает их интересными. Они генерируют огромную энергию, и астрофизики пытаются смоделировать физический процесс, который мог бы их вызвать.
Несмотря на то что всплеск был зафиксирован от магнетара, для других сигналов это не подтверждается. К тому же астрофизикам пока не удалось построить непротиворечивую математическую модель, показывающую, как магнетары могут испускать подобные сигналы.
Эти явления чем-то подобны землетрясениям и вулканам на нашей планете. Не было бы у Земли сейсмической активности – нам было бы трудно понять, из чего она состоит и какие процессы происходят внутри.
Сейсмологи изучают звуковые волны, которые идут внутри нашей планеты под действием землетрясений.
Так и природа быстрых радиовсплесков помогает по подобным волнам лучше узнать процессы, происходящие во Вселенной.