Млечный Путь № 2 2021

Однако есть еще одно важное свидетельство, о котором мы не говорили: космический микроволновый фон. Если вы начнете моделировать Вселенную в самые ранние моменты после горячего Большого взрыва и добавите ингредиенты, которые, как мы ожидаем, там будут, вы обнаружите, что к тому времени, когда Вселенная расширится и охладится достаточно, чтобы мы могли сформировать нейтральные атомы, в оставшемся свечении Большого взрыва возникнет структура температурных флуктуаций, которая проявляется в зависимости от масштаба: тепловое излучение, которое к настоящему времени перешло из-за красного смещения в микроволновый диапазон. Само излучение было впервые обнаружено в середине 1960-х годов, но измерить неоднородности почти однородного фона - непростая задача, потому что самые горячие участки неба лишь примерно на 0,01% теплее самых холодных.

По-настоящему измерять эти изначальные космические неоднородности начали только в 1990-х годах с помощью спутника COBE, результаты которого были затем подтверждены на спутниках BOOMERanG, WMAP, Planck и других. Сегодня ученые измерили температуру всего микроволнового неба в девяти различных диапазонах длин волн с точностью до микрокельвина, вплоть до угловых масштабов до 0,05 градуса. По мере того, как спутники улучшаются в своих возможностях, они исследуют меньшие масштабы, большее количество частотных диапазонов и меньшую разницу температур в космическом микроволновом фоне. Температурные неоднородности помогают понять, из чего состоит Вселенная и как она развивалась, создавая картину, которая требует, чтобы темное вещество имело смысл.

Рисунок Шаблон

Шаблон колебаний, который вы видите на графике выше, чрезвычайно чувствителен к тому, что находится в вашей Вселенной. Например, если вы моделируете Вселенную только с нормальным веществом и излучением, то получите только около половины пиков и впадин, которые мы видим, причем пик будет наблюдаться в слишком маленьком угловом масштабе, и колебания температуры будут намного больше по величине. Для этого набора наблюдений требуется темное вещество. Но также требуется кое-что еще. Если вы возьмете всю обычную материю, излучение, нейтрино и т. д., которые, как мы знаем, находятся во Вселенной, то обнаружите, что все это составляет лишь около трети общего количества энергии, которое должно присутствовать. Должна быть другая, дополнительная форма энергии, и, в отличие от темного и обычного вещества, эта энергия не может группироваться. Какой бы ни была эта форма энергии - а она необходима, чтобы космический микроволновый фон соответствовал нашим наблюдениям - она ??должна существовать в дополнение к темному веществу.

Темное вещество и темная энергия ведут себя по-разному, но они "темные" в том смысле, что невидимы для любого известного метода прямого обнаружения. Мы можем видеть их косвенное влияние - для темного вещества это влияние на структуру, которая формируется во Вселенной; для темной энергии - влияние на то, как Вселенная расширяется и излучение в ней эволюционирует. Самые большие различия:

темное вещество собирается в сгустки, в то время как темная энергия, кажется, плавно распределяется по всему пространству,

по мере расширения Вселенной темное вещество становится менее плотным, но плотность темной энергии остается постоянной,

темное вещество замедляет расширение Вселенной, в то время как темная энергия активно заставляет далекие галактики ускоряться по мере удаления от нас.

Хотя сегодня преобладает темная энергия, вначале она была незначительной. Темное вещество имело большое значение в течение чрезвычайно долгих космических времен, и мы можем видеть его следы даже в самых ранних сигналах Вселенной.

Этот вопрос кажется особенно острым, когда мы смотрим, как темное вещество и темная энергия развиваются с точки зрения относительной важности (с точки зрения того, какой процент плотности энергии они составляют) в зависимости от времени. С тех пор, как Вселенной было несколько десятков тысяч лет, до примерно 7 миллиардов лет, темное вещество составляло примерно 80% плотности энергии Вселенной. За последние 6 миллиардов лет темная энергия стала доминировать над расширением Вселенной, и теперь она составляет около 70% от общего количества энергии во Вселенной.

Со временем темная энергия будет становиться все более и более важной, в то время как все другие формы энергии, включая темное вещество, станут незначительными. Если темное вещество и темная энергия каким-то образом связаны друг с другом, эта связь является неочевидной для физиков, учитывая наше нынешнее понимание природы.

Рисунок Вселенная 2

Четыре возможных судьбы Вселенной. Нижний пример лучше всего соответствует данным: Вселенная с темной энергией. Впервые это было обнаружено при наблюдении далеких сверхновых, но с тех пор было подтверждено многими независимыми доказательствами, включая космический микроволновый фон.