Млечный Путь № 4 2021

Частицы и античастицы Стандартной модели подчиняются всевозможным законам сохранения, с фундаментальными различиями между фермионными частицами и античастицами и бозонными. Каждый набор частиц обладает собственными уникальными квантовыми числами, но никакие частицы не могут объяснить темное вещество или темную энергию. У всех частиц, по крайней мере, в том виде, в каком мы их знаем, есть несколько общих черт. У них есть набор "квантовых чисел" или свойств, которые им присущи, которые определяют их массы, спины и различные заряды. Все частицы одного и того же типа - электроны, нижние кварки, Z-бозоны и т. д. - имеют идентичные свойства, и вы можете заменить любую из них любой другой идентичной частицей, и все останется таким же. Единственное, что между ними различается, является либо случайным, например временем их распада (если они нестабильны), либо ситуационным: такие вещи, как импульс, орбитальный угловой момент или уровни энергии в связанной системе.

Но есть частицы массивные и безмассовые. Массивные частицы замедляются по мере того, как Вселенная расширяется и охлаждается, и в конечном итоге гравитационно слипаются вместе, поскольку каждая масса универсально притягивает любую другую массу. Однако безмассовые частицы просто перемещаются через искривленное пространство с единственно допустимой скоростью, скоростью света, пока не начнут взаимодействовать с другой частицей на своем пути.

Массивные (вещество) и безмассовые (излучение) частицы эволюционируют принципиально по-разному по отношению к расширяющейся Вселенной.

В то время как вещество и излучение становятся менее плотными по мере расширения Вселенной из-за увеличения ее объема, темная энергия - это форма энергии, присущая самому космосу. По мере того, как в расширяющейся Вселенной создается новое пространство, плотность темной энергии остается постоянной.

С астрофизической точки зрения, когда мы исследуем Вселенную всеми известными нам способами, открывается множество аспектов космической истории. Наблюдая за тем, насколько распространены легчайшие элементы и их изотопы, мы можем определить, сколько всего нормального вещества составляет нашу Вселенную. Измеряя, как галактики группируются вместе, а также их крупномасштабное распределение и индивидуальные внутренние свойства, мы можем определить, сколько всего существует "вещества", которое ведет себя так, как будто оно состоит из массивных частиц. И когда мы смотрим на детали, включенные в оставшееся свечение от Большого взрыва - космический микроволновый фон - это говорит нам о том, что Вселенная пространственно плоская, и о том, сколько всего "вещества" присутствует во Вселенной в целом.

график

Из этой информации мы узнаем, что весь нормальный материал Стандартной модели в нашей Вселенной составляет всего 5 процентов от общего количества. Еще ~ 27 процентов - это темное вещество, которое не может вести себя как ни одна из известных частиц. Оно слипается и гравитирует, как обычная материя, но не сталкивается с нормальной материей, светом или другими частицами темного вещества.

Хотя мы можем обнаружить присутствие темного вещества только по его гравитационному влиянию, сразу становится очевидным, что темное вещество распределено гораздо более плавно, чем обычное; оно не такое комковатое, особенно в малых космических масштабах.

К сожалению, все попытки экспериментов по прямому обнаружению не дали надежного положительного результата. Истинная природа темного вещества остается загадочной.

Однако даже при сочетании нормальной и темной материи мы еще не приблизились к тому, чтобы найти остальные ~ 68 процентов.

Ключ к разгадке того, что это за "материя" впервые появился в 1990-х годах, когда наблюдения далеких сверхновых показали, что они слабее, чем предсказывали наши модели Вселенной. Как будто что-то еще сверх того, что мы ожидали, вносило свой вклад во Вселенную. По мере поступления доказательств, подкрепленных космическим микроволновым фоном и крупномасштабными данными о скоплениях галактик, мы поняли, что должна присутствовать совершенно новая форма энергии, несовместимая со свойствами любой формы вещества или излучения: то, что мы называем темной энергией.

Темная энергия распределена идеально однородно. Нет никаких доказательств того, что в пространстве, занятом богатыми скоплениями галактик, больше или меньше темной энергии, чем в пустотах пустого пространства. Нет никаких доказательств того, что темная энергия коррелирует с плотностью, направлением, местоположением или возрастом Вселенной. Она кажется неизменной во всем пространстве и времени.

И все же, несмотря на свою простоту, она ведет себя принципиально иначе, чем все другие известные формы энергии.