Темное вещество и темная энергия

Мы знаем, что развитие Вселенной началось из горячего плотного состояния, когда не могли существовать даже ядра элементов (а в самые ранние эпохи не могли существовать даже протоны и нейтроны, а также многие другие известные нам частицы). Однако сейчас мы видим, что звезды объединены в галактики, галактики — в группы и скопления, а скопления — в сверхскопления, которые формируют ячеисто-волокнистую структуру Вселенной. Только на масштабах порядка миллиарда световых лет Вселенная снова выглядит однородной: какой бы шарик (или кубик) размером в миллиард световых лет мы ни взяли, каждый будет содержать примерно одинаковое количество галактик и их скоплений. Как же из вроде бы однородной молодой Вселенной появился мир, в котором мы живем?

В самые первые мгновения жизни Вселенной, по всей видимости, за счет квантовых процессов возникали флуктуации в распределении массы-энергии (этот процесс естественным образом протекает, например, в инфляционных моделях ранней Вселенной). Поэтому спустя первые, самые бурные доли секунды в истории нашего мира мы уже увидели бы, что где-то плотность выше, а где-то ниже. Под действием гравитации такие флуктуации плотности могли бы расти, однако этому должно было мешать излучение. Ведь если где-то в обычном веществе в ранней Вселенной начинает расти плотность, то в этой области повышается плотность энергии излучения. Оно своим давлением останавливает рост и обращает его вспять. Флуктуации могут расти только в веществе, которое не взаимодействует с излучением. Это должен быть какой-то вид частиц, не входящий в Стандартную модель. Они должны слабо взаимодействовать друг с другом и обычным веществом и вовсе не должны взаимодействовать с электромагнитным излучением, чтобы структуры из такого вещества начали возникать и расти еще до того момента, когда произошла рекомбинация. Это — темное вещество!

После рекомбинации, когда обычное вещество становится прозрачным, оно тоже может вносить вклад в рост флуктуаций. Однако, если бы уже не существовало структуры из темного вещества, галактики и их скопления просто не успели бы сформироваться к настоящему времени. Мы знаем это, потому что карта распределения температуры реликтового излучения по небу сообщает нам, насколько велики были флуктуации в плотности обычного вещества на момент его отделения от излучения. Таким образом, современные данные о крупномасштабной структуре, распределении галактик в больших масштабах и реликтовом излучении позволяют нам делать выводы о свойствах темного вещества.

Большие открытия в космологии начались с исследования динамики — обнаружения расширения Вселенной. Последнее большое открытие также связано с изучением динамики. В конце 90-х годов ХХ века было открыто ускоренное расширение Вселенной. Независимое определение расстояний до далеких галактик, проведенное по термоядерным сверхновым (так называемые сверхновые типа Ia — взрывы сверхкритических белых карликов), показало, что галактики располагаются чуть дальше, чем им полагается по стандартной на тот момент модели. Описать данные можно, если добавить в уравнения так называемый лямбда-член, придуманный еще Эйнштейном сто лет назад, то есть темную энергию. Сейчас мы знаем, что примерно половину своей жизни, около 7 миллиардов лет, Вселенная расширялась с замедлением, а последние 7 миллиардов лет все быстрее и быстрее. Интерпретация этого результата остается предметом споров и исследований, однако основной гипотезой является существование темной энергии. Мы не знаем ее природы, это может быть некое физическое поле, а может быть свойство нашего вакуума. Но в любом случае повсюду она имеет одну и ту же плотность и обладает отрицательным давлением. Последнее свойство позволяет ей работать как антигравитация (но заметим, что это все происходит в рамках общей теории относительности, так что речь не идет о настоящей антигравитации, подобной, скажем, отталкиванию зарядов одного знака в электродинамике).

Все описанные выше данные достаточно хорошо укладываются в единую картину эволюционирующей Вселенной. Начав с горячего и плотного состояния с небольшими флуктуациями плотности, за 13 миллиардов лет Вселенная превратилась в мир, наполненный галактиками, состоящими из сотен миллиардов звезд. Благодаря ядерным реакциям в звездах возникли тяжелые элементы, поэтому вокруг звезд вращаются планеты, в том числе из камней и железа, как наша. У этих планет могут быть кислородные атмосферы, потому что за время жизни Вселенной в недрах звезд смогло появиться достаточно много этого вещества. А на поверхности планет могут обитать белковые формы жизни, потому что звезды обеспечили синтез элементов, необходимых для этого, а также дают свет и тепло своим планетам.