Перенесёмся на 40 лет вперёд

Перенесёмся на 40 лет вперёд, в 1970-е годы, когда американский астроном Вера Рубин и её исследовательская группа в Институте Карнеги активно изучали вращение галактик. Они действительно обнаружили, что тёмная материя существует, и теоретики того времени предположили, что она должна существовать в виде невидимых частиц. В последующие десятилетия среди предполагаемых частиц были WIMP (слабо взаимодействующие массивные частицы) и аксионы.
Перенесёмся ещё на 40 лет вперёд, в последнее десятилетие или около того, и спутники, такие как «Планк», определят, что эта тёмная материя, чем бы она ни была, должна составлять около 26 процентов массы-энергии Вселенной. Все знакомые нам объекты в космосе — звёзды, планеты, галактики, собаки, кошки, деревья и т. д. — должны составлять всего около 5 процентов массы-энергии. Мы называем эти знакомые нам объекты барионной материей.
Это означает, что около 80 процентов всей материи во Вселенной состоит из тёмной материи, и мы пока не понимаем, что это такое и из чего она состоит. Эксперименты с ускорителями частиц пока не выявили аксион или какое-либо другое объяснение. Следите за обновлениями.
7. Большая тайна темной энергии
«Погодите-ка, — скажете вы. — О каком энергомассовом содержании вы говорите?» Одна из теорий относительности Альберта Эйнштейна, которой мы научились более века назад, гласит, что материя и энергия — это взаимопревращающиеся формы одного и того же. В этом и заключается формула E = mc2. Буква c, обозначающая скорость света, является константой. Таким образом, уравнение по сути показывает, что энергия равна массе. Старая шутка, лишь слегка преувеличенная (потому что преобразование не происходит идеально или мгновенно), заключается в том, что вы можете продемонстрировать это, съев сэндвич, а затем пробежав по улице, превратив пищу в энергию.
Спутник «Планк» и другие помогли нам понять состав Вселенной. Но наше представление о Вселенной снова изменилось в 1998 году, когда астрономы открыли то, что сейчас называется тёмной энергией. Наблюдая за далёкими сверхновыми, астрономы обнаружили, что расширение Вселенной, которое долгое время считалось постоянным, со временем ускоряется.
Это означает, что неизвестная сила — тёмная энергия — ускоряет расширение. Из чего состоит эта сила и какова её точная природа, до сих пор остаётся загадкой. Но она определённо существует. Так что, если вас беспокоит тот факт, что мы не знаем, что такое тёмная материя, держитесь за свою шляпу. Тёмная энергия составляет оставшиеся 69 процентов массы-энергии Вселенной.
Совет начинающим космологам: если вы хотите получить Нобелевскую премию, выясните, что такое тёмная материя или тёмная энергия. Ваша премия будет обеспечена.
8. Черные дыры есть повсюду
 На этом снимке рентгеновской обсерватории «Чандра» показана чёрная дыра Cygnus X-1, которая не излучает видимый свет. Вместо этого аккреционный диск из материала вокруг чёрной дыры, притянутый от её звёздного компаньона, светится так ярко, что испускает рентгеновские лучи. Источник: NASA/CXC
Мой друг Кип Торн, ведущий мировой эксперт по чёрным дырам, пишет, что они являются «самыми светящимися объектами во Вселенной, но не излучают свет!» Эти области пространства, настолько гравитационно сильные, что ничто, даже свет, не может из них выбраться, являются одними из самых странных объектов в космосе. Падающий в чёрную дыру материал нагревается настолько сильно, что начинает светиться рентгеновскими лучами, которые более энергичны, чем видимый свет, который способны воспринимать наши глаза.
Концепция чёрных дыр восходит к английскому философу и священнослужителю Джону Мичеллу, который в 1783 году написал статью о «тёмных звёздах». Но подтверждение существования чёрных дыр пришло не сразу. Их чрезвычайно трудно обнаружить. В конце концов, они не светятся.
В 1970-х годах астрономы обнаружили чрезвычайно мощный источник рентгеновского излучения, получивший название Cygnus X-1, который, по-видимому, был кандидатом на роль чёрной дыры. Торн и его друг Стивен Хокинг заключили знаменитое пари о том, подтвердится ли, что этот объект является чёрной дырой. Наконец, к 1990 году было доказано, что это чёрная дыра звёздной массы — остаток погибшей массивной звезды.
Вскоре после этого астрономы, использующие космический телескоп «Хаббл», начали находить доказательства существования другого типа чёрных дыр — сверхмассивных чёрных дыр — в центрах многих галактик. В течение последнего десятилетия стало ясно, что в массивных галактиках есть сверхмассивные чёрные дыры. (Однако в карликовых галактиках меньшего размера их нет.)
В Млечном Пути должны существовать миллионы чёрных дыр звёздной массы, хотя мы знаем лишь о нескольких десятках, потому что их очень трудно обнаружить. Также были обнаружены первые примеры чёрных дыр третьего класса — промежуточных по массе. По мере продолжения исследований каталог известных чёрных дыр, несомненно, будет пополняться астрономическими числами.
 Вопрос о том, является ли Земля единственной планетой, на которой есть жизнь, очень важен. Хотя мы пока не знаем ответа, мы подозреваем, что мы не одиноки — даже если мы никогда не сможем связаться с другими цивилизациями, потому что космос так велик. Фото: Джейкоб Фрэнк/NPS
9. Какова судьба Вселенной?
Есть важные вопросы, а есть очень важные вопросы. Один из самых важных, должно быть, звучит так: «Что в конечном счёте произойдёт с этой штукой, которую мы называем Вселенной?»
Чтобы начать отвечать на этот вопрос, астрономам нужно знать всё о современной физической природе Вселенной. На самом деле всё сводится к тому, какую космологическую модель мы можем подтвердить. Долгое время Большой взрыв был лишь одной из многих возможных моделей.
Фред Хойл и другие учёные в течение многих лет продвигали теорию стационарного состояния, согласно которой Вселенная всегда расширялась и будет расширяться, создавая материю по мере расширения для поддержания постоянной плотности. Другие учёные предполагали, что Вселенная колеблется, расширяясь, а затем схлопываясь и начиная всё сначала в серии Больших взрывов. В этих моделях судьба Вселенной была более простой: либо она будет расширяться вечно, либо схлопнется в так называемом Большом сжатии.
С открытием тёмной энергии вопрос стал более сложным. Однако мы всё ещё можем предположить несколько возможных исходов. Первый — это так называемый Большой разрыв, при котором через миллиарды лет расширение космоса и растущая сила тёмной энергии разорвут связи между объектами, которые в настоящее время удерживаются вместе гравитацией. Но это довольно маловероятный сценарий.
Наиболее вероятным, по мнению большинства космологов, является «большое замерзание». Это означает, что Вселенная будет расширяться во всё более холодный, тёмный и одинокий космос. По мере того, как звёзды, подобные Солнцу, стареют и умирают, их остатки будут становиться всё холоднее и темнее. И по прошествии миллиардов и триллионов лет оставшиеся фотоны будут всё больше смещаться в сторону красного спектра, растягиваясь до длин волн, недоступных для визуального наблюдения. С любой точки обзора в космосе останется лишь несколько невообразимо далёких карликовых звёзд, тускло мерцающих, как далёкие угольки, пока и они не погаснут.
Возможно, Вселенная и началась со взрыва, но наиболее вероятный сценарий на данный момент заключается в том, что она закончится с тихим хлопком.
10. Смысл жизни во вселенной
И, наконец, самый фундаментальный вопрос из всех: как мы сюда попали? Несколько связанных с этим вопросов: как зародилась жизнь на Земле? Насколько распространена жизнь во Вселенной? Одиноки ли мы или просто изолированы от цивилизаций, которые существуют в огромном количестве и разбросаны по бескрайним просторам космоса, как острова в космическом океане?
Судя по самым ранним окаменелостям микроорганизмов, мы знаем, что жизнь на Земле быстро распространилась после Поздней тяжёлой бомбардировки, около 4 миллиардов лет назад. Жизнь на нашей планете долгое время оставалась очень простой. Сложные формы жизни, такие как мы, появились только в последние несколько миллионов лет.
Атомов в вашем теле много, возможно, 7 миллиардов миллиардов миллиардов в теле среднестатистического человека. Это те же самые атомы, которые были созданы в ранней Вселенной. Водород и гелий образовались в результате Большого взрыва, а более тяжёлые элементы появились в результате смерти звёзд. Вселенная на каком-то уровне — это гигантская программа переработки, и вы — её часть. Как говорил другой мой старый друг, Карл Саган, мы — это буквально звёздная материя, преобразованная в самовоспроизводящиеся клетки, встроенные в сложные мыслящие системы.
Мы знаем, что условия для объединения этих атомов в сложные системы довольно распространены во Вселенной. Множество экзопланет, на которых могла бы существовать жизнь, находятся относительно недалеко от нас в Млечном Пути. В нашей галактике около 400 миллиардов звёзд. (Мы не знаем точного числа, потому что самые распространённые звёзды, карлики, тусклые, и их трудно разглядеть на больших расстояниях.) А во Вселенной по меньшей мере 100 миллиардов галактик, возможно, гораздо больше.
Для приличия скажем, что в космосе содержится 10 000 миллиардов миллиардов звёздных систем. С помощью спектроскопии мы также знаем, что химический состав космоса одинаков во всех его частях и что материалов для жизни предостаточно. Неужели мы действительно думаем, что Земля — единственная планета во всём этом матче, на которой развилась жизнь? Не слишком вероятно, сказал бы мастер преуменьшений.
Но расстояния огромны, и то, что мы являемся разумными существами, само по себе почти чудо. Мы можем говорить об этих вопросах, делиться своими чувствами и мыслями о ночном небе и с удивлением смотреть вверх. Сколько тайн космоса астрономы раскроют в грядущих поколениях?
Надеюсь, не слишком много. Одна из вещей, которая делает нас людьми, — это возможность выйти на улицу тёмной ночью, посмотреть на звёзды и галактики и просто удивиться
Учёные утверждают, что нашли первое наблюдательное доказательство, подтверждающее теорию струн
Физики утверждают, что, возможно, нашли долгожданное объяснение тёмной энергии — таинственной силы, которая движет ускоренным расширением Вселенной, — так говорится в новом исследовании, препринт которого был опубликован недавно.
Их расчёты показывают, что на самых малых масштабах пространство-время ведёт себя глубоко квантовым образом, резко отличаясь от гладкой, непрерывной структуры, которую мы наблюдаем в повседневной жизни. Согласно их выводам, координаты пространства-времени не «коммутируют» — это означает, что порядок их появления в уравнениях влияет на результат. Это похоже на то, как ведут себя положение и скорость частицы в квантовой механике.
Одним из самых поразительных последствий такого квантового пространства-времени, предсказанного теорией струн, является то, что оно естественным образом приводит к космическому расширению. Более того, исследователи обнаружили, что скорость, с которой это ускорение уменьшается с течением времени, удивительно хорошо согласуется с последними наблюдениями, полученными с помощью спектроскопического прибора тёмной энергии (DESI).
«Если посмотреть на результат DESI через призму нашей работы, то можно считать его первым наблюдательным свидетельством, подтверждающим теорию струн, и, возможно, первым наблюдаемым следствием теории струн и квантовой гравитации», — сказал Live Science по электронной почте соавтор исследования Майкл Кавич, профессор университета SUNY Old Westbury.
Тайна расширения Вселенной
В 1998 году две независимые группы — проект «Космология сверхновых» и группа поиска сверхновых High-Z — обнаружили, что расширение Вселенной не замедляется, как считалось ранее, а наоборот, ускоряется. К такому выводу они пришли, изучая далёкие сверхновые, которые оказались тусклее, чем ожидалось. Это ускорение предполагало наличие таинственной сущности, пронизывающей пространство, которую позже окрестили тёмной энергией.
Однако происхождение тёмной энергии до сих пор остаётся неуловимым. Согласно популярной гипотезе, она возникает из-за квантовых флуктуаций в вакууме, аналогичных тем, что наблюдаются в электромагнитном поле. Однако, когда физики попытались рассчитать скорость расширения на основе этой идеи, они получили значение, которое было на 120 порядков больше наблюдаемого, что является ошеломляющим расхождением.
Недавние наблюдения DESI ещё больше усложнили картину. Согласно Стандартной модели элементарных частиц, если бы тёмная энергия была просто энергией вакуума, её плотность должна была бы оставаться постоянной с течением времени. Однако данные DESI показывают, что скорость ускорения не постоянна, а уменьшается со временем — то, что Стандартная модель не предсказывает.
Разгадка тайны с помощью теории струн
Чтобы разобраться с этими несоответствиями, исследователи обратились к теории струн — одному из ведущих кандидатов на создание квантовой теории гравитации. В отличие от Стандартной модели, в которой элементарные частицы рассматриваются как точечные, теория струн предполагает, что на самом деле они представляют собой крошечные, вибрирующие, одномерные объекты, называемые струнами. Эти струны, в зависимости от их режимов вибрации, порождают различные частицы — в том числе гравитон, гипотетический квантовый носитель гравитации.
В новой работе, которая была опубликована в базе данных препринтов arXiv, но не прошла рецензирование, физики Сунхенг Хур, Джордже Минич, Тацу Такеучи (Вирджинский политехнический институт и университет штата), Вишну Джеджала (Витватерсрандский университет) и Майкл Кавич применили теорию струн для анализа пространства-времени на квантовом уровне.
Заменив описание частиц в Стандартной модели на основы теории струн, исследователи обнаружили, что пространство-время само по себе является квантовым и некоммутативным, то есть порядок появления координат в уравнениях имеет значение.
Этот радикальный отход от классической физики позволил им вывести свойства тёмной энергии не просто из экспериментальных данных, а непосредственно из фундаментальной физической теории. Их модель не только дала плотность тёмной энергии, близко соответствующую данным наблюдений, но и правильно предсказала, что эта энергия должна уменьшаться со временем, что согласуется с выводами DESI.
Один из самых поразительных аспектов их результатов заключается в том, что величина тёмной энергии зависит от двух совершенно разных масштабов длины: длины Планка, фундаментального масштаба квантовой гравитации, который составляет около 10-33 сантиметров, и размера Вселенной, который составляет миллиарды световых лет. Такая связь между самыми маленькими и самыми большими масштабами космоса весьма необычна для физики и позволяет предположить, что тёмная энергия глубоко связана с квантовой природой самого пространства-времени.
«Это намекает на более глубокую связь между квантовой гравитацией и динамическими свойствами природы, которые считались постоянными, — говорит Кавич. — Может оказаться, что фундаментальное заблуждение, к которому мы привыкли, заключается в том, что основные определяющие свойства нашей Вселенной статичны, в то время как на самом деле это не так».
Экспериментальные проверки и будущие перспективы
Хотя предложенное командой объяснение ускоренного расширения Вселенной является значительным теоретическим прорывом, для подтверждения их модели необходимы независимые экспериментальные проверки. Исследователи предложили конкретные способы проверки своих идей.
Одна из линий доказательств «включает в себя обнаружение сложных квантовых интерференционных паттернов, что невозможно в стандартной квантовой физике, но должно происходить в квантовой гравитации», — добавил Минич.
Интерференция возникает, когда волны, например световые или волны материи, накладываются друг на друга и либо усиливают, либо отменяют друг друга, создавая характерные картины. В обычной квантовой механике интерференция подчиняется хорошо понятным правилам и обычно включает в себя два или более возможных квантовых путей. Однако интерференция более высокого порядка, предсказываемая некоторыми моделями квантовой гравитации, предполагает более сложные взаимодействия, выходящие за рамки этих стандартных закономерностей. Обнаружение таких эффектов в лаборатории стало бы подтверждением верности теории квантовой гравитации.
«Это настольные эксперименты, которые получится провести в ближайшем будущем — в течение трёх-четырёх лет».
«Наш подход к квантовой гравитации имеет множество последствий», — сказал Джордже Минич, физик из Вирджинского технологического института и соавтор работы, в своём электронном письме. Одна из линий доказательств «включает обнаружение сложных квантовых интерференционных паттернов, что невозможно в стандартной квантовой физике, но должно происходить в квантовой гравитации», — добавил Минич.
Тем временем исследователи не ждут экспериментальных подтверждений. Они продолжают совершенствовать своё понимание квантового пространства-времени, а также изучают дополнительные возможности для проверки своей теории.
Если их выводы подтвердятся, это станет большим прорывом не только в объяснении тёмной энергии, но и первым ощутимым доказательством теории струн — цели, которую давно стремятся достичь в фундаментальной физике.

 Чёрные дыры и другие тайны космоса, которые не могут разгадать учёные
Космос по-прежнему остается непознанным, и чем больше мы погружаемся в его тайны, тем больше вопросов получаем. Отметим 7 главных загадок космоса, с которыми столкнулась наука.
Происхождение Вселенной
Это загадка из загадок, над которой еще будет долго биться человечество. Одна из самых первых научных гипотез – теория «Большого Взрыва» выдвинутая советским геофизиком А. А. Фридманом в 1922 году и сегодня является наиболее популярной при объяснении происхождения Вселенной.
Согласно гипотезе, в начале вся материя была сжата в одну точку, представляющую из себя однородную среду с чрезвычайно высокой плотностью энергии. Как только критический уровень сжатия был преодолен – произошел Большой Взрыв, после которого Вселенная начала свое постоянное расширение.
Но ученых интересует, что же было до Большого Взрыва? По одной из гипотез - ничего, по другой – все. Большой Взрыв это лишь очередная стадия бесконечного цикла расширений и сжатий пространства.
Однако теория Большого Взрыва имеет и уязвимые места. По мнению некоторых физиков, расширение Вселенной после Большого Взрыва сопровождалось бы хаотичным распределением вещества, а оно напротив – упорядочено.