Основы астрофизики и космологии: от Солнечной системы до темной энергии

Основы астрономии: фундаментальные понятия и устройство Солнечной системы

Почему планеты движутся по орбитам, а не падают на Солнце? Этот вопрос, казавшийся неразрешимым в эпоху Аристотеля, привёл к созданию классической механики и до сих пор остаётся отправной точкой для понимания устройства космоса. Разобравшись в законах, управляющих движением небесных тел, вы получите инструментарий, который работает от астероидного пояса до границ наблюдаемой Вселенной.

Единицы измерения в астрономии

Прежде чем говорить о расстояниях и массах, необходимо ввести систему единиц, принятую в астрономии. Земные метры и килограммы здесь неудобны: расстояния до звёзд измеряются триллионами километров, а массы звёзд в миллионы раз превышают массу Земли.

Астрономическая единица (а.е., au) — среднее расстояние от Земли до Солнца, равное примерно 149,6 млн км. Эта единица удобна для описания размеров планетных систем. Расстояние от Земли до Солнца — 1 а.е., до Юпитера — 5,2 а.е., до Нептуна — 30 а.е.

Световой год — расстояние, которое свет проходит за один юлианский год в вакууме, составляющее около 9,46 трлн км. Ближайшая к Солнцу звезда Проксима Центавра удалена на 4,24 световых года.

Парсек (пк) — расстояние, с которого радиус земной орбиты (1 а.е.) виден под углом в одну угловую секунду. Один парсек равен примерно 3,26 светового года. Эта единица напрямую связана с методом параллакса — геометрическим способом определения расстояний до близких звёзд по смещению их положения на небесной сфере при наблюдении с разных точек земной орбиты.

Для масс используется солнечная масса (), равная кг. Масса Юпитера составляет около 0,001 , а масса Земли — около 0,000003 .

Законы Кеплера

Три закона, сформулированных Иоганном Кеплером в начале XVII века на основе точных наблюдений Тихо Браге, описывают движение планет вокруг Солнца.

Первый закон Кеплера (закон эллипсов): каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Эллипс характеризуется большой полуосью и эксцентриситетом . При эллипс вырождается в окружность, при — в сильно вытянутую фигуру. Орбита Земли имеет эксцентриситет 0,017 (почти круговая), а орбита кометы Галлея — 0,967 (крайне вытянутая).

Второй закон Кеплера (закон площадей): радиус-вектор, соединяющий Солнце с планетой, за равные промежутки времени описывает равные площади. Физический смысл: планета движется быстрее вблизи перигелия (ближайшей к Солнцу точки) и медленнее вблизи афелия (самой удалённой точки). Это следствие закона сохранения момента импульса.

Третий закон Кеплера (гармонический): квадрат периода обращения планеты пропорционален кубу большой полуоси её орбиты :

где — гравитационная постоянная ( Н·м²/кг²), — масса центрального тела. Этот закон позволяет, зная период обращения спутника, вычислить массу планеты, вокруг которой он вращается.

Закон всемирного тяготения

Кеплер описал как движутся планеты, но не объяснил почему. Ответ дал Исаак Ньютон в 1687 году. Закон всемирного тяготения гласит: между любыми двумя телами с массами и , разделёнными расстоянием , действует сила притяжения:

Эта сила объясняет не только движение планет, но и падение яблока, приливы и отливы, орбиты искусственных спутников. Именно из этого закона Ньютон математически вывел все три закона Кеплера, показав, что они являются следствиями гравитационного взаимодействия.

Важный нюанс: тела не падают друг на друга, потому что планета обладает поперечной скоростью — скоростью, направленной перпендикулярно линии, соединяющей её с Солнцем. Гравитация постоянно «отклоняет» прямолинейную траекторию, превращая её в замкнутую (эллиптическую) орбиту. Если скорость слишком велика — орбита становится незамкнутой (гиперболической), и тело улетает из системы.

Структура Солнечной системы

Солнечная система сформировалась около 4,6 млрд лет назад из протопланетного диска — вращающегося облака газа и пыли, сжавшегося под действием собственной гравитации. В центре диска образовалось Солнце, а из остатков материи — планеты и другие тела.

Солнце содержит 99,86% массы Солнечной системы. Это звезда спектрального класса G2V — жёлтый карлик с температурой поверхности около 5778 К. В его ядре идут термоядерные реакции превращения водорода в гелий, выделяющие энергию, которая поддерживает звезду в равновесии между гравитационным сжатием и радиационным давлением.

Планеты делятся на две группы по физическим свойствам:

| Параметр | Внутренние (земного типа) | Внешние (газовые гиганты) | |---|---|---| | Представители | Меркурий, Венера, Земля, Марс | Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун | | Состав | Каменистые породы, металлы | Водород, гелий, лёд | | Размеры | Радиусы 0,38–1,0 | Радиусы 3,9–11,2 | | Массы | 0,055–1,0 | 14,5–318 | | Кольца | Нет | Есть у всех четырёх |

Разделение на две группы объясняется температурным градиентом протопланетного диска: вблизи Солнца летучие вещества (вода, метан, аммиак) не могли конденсироваться, поэтому внутренние планеты формировались из тугоплавких силикатов и металлов. За так называемой линией льда (на расстоянии около 2,7 а.е. от Солнца) вода и другие вещества переходили в твёрдую фазу, обеспечивая материал для формирования массивных ядер, способных удержать гравитацией водород и гелий.

Между орбитами Марса и Юпитера расположен главный пояс астероидов — область, содержащая миллионы каменистых и металлических объектов. Крупнейший из них — карликовая планета Церера (диаметр 940 км). За орбитой Нептуна простирается пояс Койпера — область ледяных тел, включающая карликовые планеты Плутон, Эриду и Макемаке. Ещё дальше, на расстояниях от 2000 до 100 000 а.е., предположительно находится облако Оорта — сферическая оболочка из ледяных объектов, служащая источником долгопериодических комет.

Спутники и малые тела

Планеты сопровождают спутники. У Земли — один (Луна), у Марса — два (Фобос и Деймос), у Юпитера — 95 известных спутников, крупнейшие из которых (Ио, Европа, Ганимед, Каллисто) были открыты Галилеем в 1610 году. Спутник Сатурна Титан — единственное тело в Солнечной системе, помимо Земли, на поверхности которого обнаружены жидкие углеводородные озёра.

Кометы — малые тела, состоящие изо льда, пыли и каменистых включений. При приближении к Солнцу их поверхность сублимирует, формируя кому (газовую оболочку) и хвост, направленный в сторону, противоположную Солнцу, под действием солнечного ветра и радиационного давления.

Законы сохранения в астрофизике

Движение небесных тел подчиняется фундаментальным законам сохранения. Закон сохранения энергии определяет связь между кинетической и потенциальной энергией тела на орбите: при удалении от центрального тела кинетическая энергия переходит в потенциальную, и наоборот. Закон сохранения момента импульса объясняет второй закон Кеплера и лежит в основе механизма аккреции — падения вещества на массивное тело, при котором вращающийся диск разогревается до миллионов градусов (например, в окрестностях чёрных дыр).

Эти законы не просто абстрактные принципы — они позволяют рассчитывать траектории космических аппаратов. Миссия Voyager-1, запущенная в 1977 году, использовала гравитационные манёвры у Юпитера и Сатурна для набора скорости, и в 2012 году стала первым рукотворным объектом, вышедшим за пределы гелиосферы.

Звёзды: классификация, жизненный цикл и эволюция

Если бы вы могли наблюдать за одной звездой на протяжении миллиардов лет, вы бы увидели, как она рождается из холодного газового облака, проходит стадию устойчивого горения, а затем трансформируется — в зависимости от своей массы — либо в тихо угасающий белый карлик, либо в катастрофически взрывающуюся сверхновую. Понимание этого цикла — ключ к объяснению химического состава Вселенной, ведь именно в звёздах синтезируются почти все элементы тяжелее водорода и гелия.

Спектральная классификация

Первые попытки классифицировать звёзды по яркости и цвету привели к созданию Гарвардской спектральной классификации, разработанной в конце XIX века. Звёзды распределяются по классам в зависимости от температуры поверхности и доминирующих линий поглощения в их спектре:

| Класс | Температура (K) | Цвет | Пример | |---|---|---|---| | O | 30 000–50 000 | Голубой | Альнитак (ζ Ориона) | | B | 10 000–30 000 | Бело-голубой | Ригель | | A | 7 500–10 000 | Белый | Сириус | | F | 6 000–7 500 | Жёлто-белый | Канопус | | G | 5 200–6 000 | Жёлтый | Солнце | | K | 3 700–5 200 | Оранжевый | Арктур | | M | 2 400–3 700 | Красный | Бетельгейзе |

Последовательность запоминается по фразе «Oh, Be A Fine Girl/Guy, Kiss Me». Каждый класс делится на подклассы от 0 до 9. Солнце относится к классу G2 — его температура поверхности составляет около 5778 К.

Диаграмма Герцшпрунга — Рассела

В 1911–1912 годах Эйнар Герцшпрунг и Генри Рассел независимо друг от друга построили диаграмму, отложив светимость звезды (общую излучаемую мощность) по вертикальной оси, а спектральный класс (или температуру) — по горизонтальной. Звёзды на этой диаграмме располагаются не хаотично, а группируются в характерные области:

Положение звезды на диаграмме ГР определяется её массой и стадией эволюции. Массивные звёзды на главной последовательности горячее и ярче маломассивных — это соответствие называется масса-светимость: для звёзд главной последовательности. Звезда в 10 раз массивнее Солнца излучает примерно в 3000 раз больше энергии.

Звездообразование

Звёзды рождаются в молекулярных облаках — гигантских холодных (10–20 К) скоплениях молекулярного водорода и пыли, достигающих сотен световых лет в поперечнике. Когда плотная область облака достигает критической массы (определяемой массой Джинса — порогом, при котором гравитационное сжатие преобладает над тепловым давлением), начинается гравитационный коллапс.

Коллапсирующее ядро фрагментируется и сжимается, образуя протозвезду — объект, который ещё не начал термоядерные реакции, но уже излучает за счёт выделения гравитационной энергии. Протозвезда окружена аккреционным диском, из которого продолжает наращивать массу. Когда температура в ядре достигает примерно 10 млн К, запускается протон-протонный цикл — цепочка реакций, в которой четыре протона сливаются в ядро гелия-4 с выделением энергии. На этом этапе протозвезда становится полноценной звездой главной последовательности.

Термоядерный синтез и звёздное равновесие

Звезда на главной последовательности существует в состоянии гидростатического равновесия: сила гравитационного сжатия уравновешивается давлением газа и излучения, создаваемым термоядерными реакциями в ядре. Это равновесие — динамическое: малое сжатие ядра повышает температуру и плотность, что усиливает реакции и увеличивает давление, возвращая звезду к равновесию.

Основной источник энергии звёзд массой до ~1,3 — протон-протонная цепочка (p-p цикл):

В более массивных звёздах доминирует углеродно-азотно-кислородный цикл (CNO-цикл), в котором углерод, азот и кислород выступают катализаторами, а итоговая реакция та же — превращение водорода в гелий.

Продолжительность жизни звезды на главной последовательности определяется её массой. Парадоксально, но массивные звёзды живут короче: несмотря на больший запас топлива, они расходуют его с гораздо большей скоростью. Звезда массой 25 «проживёт» на главной последовательности около 6 млн лет, тогда как звезда с массой 0,5 — более 80 млрд лет (превышая текущий возраст Вселенной).

Эволюция маломассивных звёзд (до ~8 )

Когда водород в ядре звезды массой порядка солнечной исчерпывается, гидростатическое равновесие нарушается. Ядро сжимается, а внешние слои расширяются и охлаждаются — звезда перемещается на ветвь красных гигантов. Температура в сжимающемся ядре достигает ~100 млн К, что запускает горение гелия (тройная альфа-реакция):

После исчерпания гелия ядро из углерода и кислорода не может достичь температур, необходимых для их слияния (у маломассивных звёзд). Внешние слои отбрасываются, формируя планетарную туманность — ионизированную газовую оболочку, подсвечиваемую остаточным горячим ядром. Само ядро становится белым карликом — объектом размером с Землю, но массой порядка 0,6 , удерживаемым от дальнейшего коллапса давлением вырожденного электронного газа — квантово-механическим эффектом, не зависящим от температуры.

Белый карлик медленно остывает, превращаясь в теоретический чёрный карлик — однако время остывания превышает текущий возраст Вселенной, поэтому чёрных карликов пока не обнаружено.

Эволюция массивных звёзд (свыше ~8 )

У массивных звёзд ядро после горения гелия продолжает сжиматься и нагреваться, проходя последовательные стадии ядерного синтеза: углерод → неон → кислород → кремний → железо. Каждая стадия короче предыдущей: если горение углерода продолжается тысячи лет, то кремний сгорает за считанные дни.

Железо — конечная точка: его ядро обладает максимальной удельной энергией связи среди всех элементов, поэтому слияние ядер железа не выделяет, а поглощает энергию. Когда железное ядро достигает массы предела Чандрасекара (~1,4 ), электронное вырождение больше не может противодействовать гравитации. Ядро коллапсирует за миллисекунды до размеров ~10 км, образуя нейтронную звезду — объект, удерживаемый давлением вырожденного нейтронного газа. При этом выделяется колоссальная энергия порядка Дж, которая выбрасывает внешние слои звезды — происходит вспышка сверхновой типа II.

Если масса остаточного ядра превышает ~3 (предел Оппенгеймера — Волкова), ни один известный механизм не способен остановить коллапс, и формируется чёрная дыра — область пространства-времени, из которой не может выйти даже свет.

Вспышки сверхновых играют критическую роль в химической эволюции Вселенной: именно в них синтезируются элементы тяжелее железа и выбрасываются в межзвёздную среду, обогащая её металлами, из которых впоследствии формируются новые звёзды и планеты. Атомы углерода в вашем теле, железа в крови и кальция в костях были созданы в недрах звёзд, живших и погибших до рождения Солнца.

Галактики: типы, строение и крупномасштабная структура Вселенной

Когда Эдвин Хаббл в 1924 году доказал, что туманность Андромеды — не газовое облако внутри Млечного Пути, а отдельная звёздная система на расстоянии около 2,5 млн световых лет, границы известной Вселенной расширились в тысячи раз. Сегодня известно, что наблюдаемая Вселенная содержит не менее 2 триллионов галактик, каждая из которых — гравитационно связанная система из миллиардов звёзд, газа, пыли и тёмной материи.

Морфологическая классификация Хаббла

Эдвин Хаббл предложил классификацию галактик по форме, известную как тuning fork diagram (диаграмма-вилка). Она не отражает эволюционную последовательность, но остаётся стандартом описания морфологии.

Эллиптические галактики (E0–E7) — от почти сферических (E0) до сильно вытянутых (E7). Обозначение En указывает степень сплюснутости: , где и — большая и малая полуоси. Эти галактики содержат преимущественно старые звёзды (население II), имеют мало межзвёздного газа и пыли, а значит, практически не формируют новых звёзд. Крупнейшая галактика в Местной группе — эллиптическая M87 в скоплении Девы.

Спиральные галактики (S) имеют дисковую структуру с ярким балджем (центральным утолщением) и спиральными рукавами, в которых сосредоточены молодые горячие звёзды (население I), области ионизированного водорода (HII-области) и активное звездообразование. Подклассы Sa, Sb, Sc различаются размером балджа и степенью «развёрнутости» рукавов: у Sa балдж крупнее, рукава плотнее прижаты к центру; у Sc — наоборот.

Спиральные галактики с перемычкой (SB) отличаются наличием бара — вытянутой центральной структуры, из которой выходят спиральные рукава. Млечный Путь, по современным данным, относится именно к этому типу (SBbc).

Линзообразные галактики (S0) занимают промежуточное положение между эллиптическими и спиральными: у них есть балдж и диск, но спиральные рукава отсутствуют.

Неправильные галактики (Irr) не обладают выраженной симметрией. Типичные примеры — Магеллановы Облака, спутники Млечного Пути.

Строение галактики на примере Млечного Пути

Млечный Путь — спиральная галактика с перемычкой диаметром около 100 000 световых лет, содержащая от 100 до 400 млрд звёзд. Её основные структурные компоненты:

Звёздные скопления

Шаровые скопления — плотные сферические группировки из сотен тысяч старых звёзд (население II) возрастом более 10 млрд лет. Они расположены в гало и вращаются вокруг центра галактики по вытянутым орбитам.

Рассеянные скопления — менее плотные, неправильной формы группировки из десятков — тысяч молодых звёзд (население I), расположенные в диске. Примеры: Плеяды, Гиады. В отличие от шаровых, рассеянные скопления не устойчивы гравитационно и постепенно распадаются за сотни миллионов лет.

Межзвёздная среда

Пространство между звёздами не является абсолютно пустым. Межзвёздная среда (МЗС) заполнена газом (преимущественно водородом и гелием) в ионизированном, атомарном или молекулярном состоянии, а также пылевыми частицами размером порядка микрометра. Плотность МЗС крайне мала — в среднем около 1 атома на см³, — но именно из неё формируются новые звёзды.

Молекулярные облака — самые плотные и холодные области МЗС — являются «инкубаторами» звездообразования. Тёмные туманности (например, Туманность Конской Головы) видны как тёмные силуэты на фоне ярких туманностей или звёздного поля, потому что пыль поглощает и рассеивает свет.

Группы, скопления и сверхскопления

Галактики не распределены в пространстве равномерно. Они образуют иерархическую структуру:

Крупномасштабная структура: космическая паутина

На масштабах сотен мегапарсек галактики и скопления образуют космическую паутину — сеть из нитей (филаментов), стен и узлов, окружающих огромные почти пустые области — войды (voids). Типичный войд имеет диаметр 20–400 Мпк и содержит значительно меньше галактик, чем окружающие его нити.

Эта структура — прямое следствие гравитационной неустойчивости первичных флуктуаций плотности вещества во Вселенной, о которых речь пойдёт в статье о космологии. Области с чуть более высокой плотностью притягивали вещество, становились плотнее и формировали галактики и скопления, а области с пониженной плотностью опустевали, превращаясь в войды.

Наблюдения крупномасштабной структуры — один из ключевых инструментов космологии. Распределение галактик на небе позволяет измерять параметры расширения Вселенной, проверять модели тёмной энергии и ограничивать свойства тёмной материи.

Космология: теория Большого взрыва и расширение Вселенной

В 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики удаляются от нас, и чем дальше галактика, тем быстрее она движется. Это наблюдение стало первым экспериментальным свидетельством того, что Вселенная не статична — она расширяется. Если «прокрутить» это расширение назад во времени, примерно 13,8 млрд лет назад вся материя и энергия Вселенной были сосредоточены в сингулярной точке бесконечной плотности. Именно с этого момента — Большого взрыва — начинается история наблюдаемой Вселенной.

Космологический принцип

Вся современная космология строится на космологическом принципе — утверждении, что на достаточно больших масштабах (свыше ~300 Мпк) Вселенная однородна (в любой точке выглядит одинаково) и изотропна (во всех направлениях выглядит одинаково). Это не тривиальное утверждение: на малых масштабах Вселенная очевидно неоднородна — есть звёзды, галактики, войды. Но при усреднении на масштабах сотен мегапарсек плотность вещества становится одинаковой везде.

Космологический принцип подтверждается наблюдениями: распределение далёких галактик, реликтового излучения и крупномасштабной структуры статистически однородно и изотропно. На этом принципе основана метрика Фридмана — Леметра — Робертсона — Уокера (FLRW), описывающая геометрию однородной изотропной Вселенной.

Уравнения Фридмана

Александр Фридман в 1922 году, работая с уравнениями общей теории относительности Эйнштейна, вывел два уравнения Фридмана, описывающих эволюцию масштабного фактора — величины, характеризующей относительное расстояние между сопутствующими наблюдателями во Вселенной. Первое уравнение Фридмана:

где — параметр Хаббла (текущая скорость расширения), — гравитационная постоянная, — плотность вещества и энергии, — кривизна пространства ( для плоской, для замкнутой, для открытой Вселенной), — космологическая постоянная.

Современное значение параметра Хаббла составляет км/с/Мпк (данные миссии Planck, 2018). Это означает, что галактика на расстоянии 1 Мпк удаляется со скоростью около 67,4 км/с. Важно: это не движение галактик в пространстве, а расширение самого пространства — галактики покоятся в своей локальной системе отсчёта, но расстояние между ними растёт.

Красное смещение и закон Хаббла

Наблюдаемое удаление галактик проявляется через космологическое красное смещение: свет далёких галактик смещён к красному концу спектра, потому что длина волны фотона растёт пропорционально масштабному фактору:

где — красное смещение. Это не эффект Доплера в классическом смысле (галактика не движется сквозь пространство), а следствие расширения метрики пространства-времени.

Закон Хаббла устанавливает линейную связь между скоростью удаления галактики и расстоянием до неё:

Этот закон справедлив для «ближних» галактик (); для далёких объектов необходимо учитывать релятивистские эффекты и эволюцию .

Реликтовое излучение

Одним из главных предсказаний и подтверждений теории Большого взрыва является реликтовое излучение (CMB — Cosmic Microwave Background). Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва температура Вселенной упала до ~3000 К, и протоны и электроны объединились в нейтральные атомы водорода (рекомбинация). До этого момента фотоны непрерывно рассеивались на свободных электронах, и Вселенная была непрозрачной. После рекомбинации фотоны начали свободно распространяться — и распространяются до сих пор.

С расширением Вселенной длина волны этих фотонов растянулась в ~1100 раз, и сегодня они наблюдается как изотропное микроволновое излучение с температурой К. Реликтовое излучение было обнаружено в 1965 году Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном (Нобелевская премия 1978 года). Его спектр с беспрецедентной точностью соответствует спектру абсолютно чёрного тела — лучшее подобное соответствие во всей экспериментальной физике.

Миссии COBE (1989), WMAP (2001) и Planck (2009) детально измерили анизотропии реликтового излучения — крошечные вариации температуры () на угловых масштабах. Эти флуктуации отражают первичные неоднородности плотности вещества, из которых впоследствии выросла крупномасштабная структура Вселенной. Анализ анизотропий позволяет с высокой точностью определить возраст Вселенной (13,8 млрд лет), её геометрию (плоскую, ), содержание барионной материи (~5%), тёмной материи (~27%) и тёмной энергии (~68%).

Хронология Большого взрыва

Эволюция ранней Вселенной описывается последовательностью эпох:

Инфляция и горизонтная проблема

Горизонтная проблема: реликтовое излучение из разных областей неба имеет почти одинаковую температуру, хотя эти области в стандартной модели Большого взрыва никогда не были в причинной связи — они разделены расстоянием большим, чем свет мог пройти за 380 000 лет. Как они «договорились» иметь одинаковую температуру?

Инфляционная модель (Алан Гут, 1981) решает эту проблему: в первые ~ с после Большого взрыва Вселенная экспоненциально расширилась, «растянув» крошечную причинно связанную область до размеров, превышающих наблюдаемую Вселенную. Все наблюдаемые области неба когда-то были в тесном контакте, что объясняет их однородность.

Инфляция также предсказывает, что пространство должно быть плоским (), что подтверждено наблюдениями, и что спектр первичных флуктуаций должен быть почти масштабно-инвариантным — тоже подтверждено данными Planck.

Тёмная материя и тёмная энергия: природа и роль в эволюции Вселенной

В 1933 году Фриц Цвики, измеряя скорости галактик в скоплении Кома, обнаружил аномалию: масса, определённая по скоростям галактик, в 400 раз превышала массу, определённую по светимости. Он предположил существование невидимой dunkle Materie — тёмной материи. Спустя 90 лет мы знаем, что тёмная материя составляет около 27% энергобюджета Вселенной, а ещё 68% приходится на ещё более загадочную тёмную энергию. Вместе эти два компонента определяют судьбу космоса — и при этом не излучают, не поглощают и не рассеивают свет.

Доказательства существования тёмной материи

Аргументы в пользу тёмной материи исходят из нескольких независимых наблюдений.

Кривые вращения галактик. По законам ньютоновской механики скорость вращения звёзд на периферии галактического диска должна убывать с расстоянием от центра (), если вся масса сосредоточена в видимых компонентах. Наблюдения Веры Рубин и Кента Форда (1970-е) показали, что кривые вращения спиральных галактик плоские — скорость остаётся постоянной на больших расстояниях. Это означает, что масса продолжает расти пропорционально , хотя видимое вещество заканчивается. Галактики окружены гало невидимой материи, простирающимся далеко за пределы оптического диска.

Гравитационное линзирование. Массивные объекты искривляют пространство-время по общей теории относительности, отклоняя свет проходящих мимо источников. По форме и степени искажения изображений далёких галактик можно реконструировать распределение массы в скоплении. Исследования скоплений галактик (например, знаменитого Bullet Cluster — системы двух сталкивающихся скоплений) показывают, что основная масса не совпадает с распределением горячего газа, который является основным носителем барионной массы в скоплениях. Масса «оторвана» от барионного вещества — это прямое свидетельство наличия слабо взаимодействующего компонента.

Реликтовое излучение. Анализ анизотропий CMB требует наличия тёмной материи для объяснения наблюдаемого спектра флуктуаций. Без неё невозможно воспроизвести пики акустических осцилляций барион-фотонной плазмы с нужными амплитудами.

Нуклеосинтез Большого взрыва. Теоретические расчёты предсказывают соотношение лёгких элементов (водород, гелий, дейтерий, литий) в зависимости от плотности барионного вещества. Наблюдаемые соотношения фиксируют барионную плотность на уровне ~5% от критической. Однако общая плотность материи, необходимая для объяснения плоской геометрии Вселенной и крупномасштабной структуры, составляет ~31%. Значит, ~26% — это не барионная тёмная материя.

Кандидаты на роль тёмной материи

Тёмная материя не состоит из известных частиц Стандартной модели. Основные кандидаты:

WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) — гипотетические массивные частицы, взаимодействующие только гравитационно и, возможно, через слабое взаимодействие. Масса — от 1 ГэВ до 10 ТэВ. Долгое время WIMP считались наиболее перспективным кандидатом благодаря так называемому «WIMP-чуду» — частица с массой и сечением взаимодействия порядка слабого масштаба автоматически даёт наблюдаемую плотность тёмной материи. Однако прямые детекторы (XENON, LZ, PandaX) пока не обнаружили WIMP, несмотря на экспоненциальный рост чувствительности.

Аксионы — лёгкие частицы (– эВ), предложенные для решения проблемы CP-сильного взаимодействия в квантовой хромодинамике. Эксперименты ADMX ищут аксионы через их конверсию в фотоны в сильном магнитном поле.

Стерильные нейтрино — гипотетические тяжёлые (кэВ) нейтрино, не участвующие ни в каком взаимодействии, кроме гравитационного. Могли бы объяснить аномалии в осцилляциях активных нейтрино.

Первичные чёрные дыры — чёрные дыры, сформировавшиеся в ранней Вселенной из плотных флуктуаций. Наблюдения гравитационных линз и гравитационно-волновых детекторов ограничивают их допустимый массовый диапазон.

Ни один из кандидатов пока не подтверждён экспериментально. Возможно, тёмная материя представляет собой смесь нескольких типов частиц или является проявлением модифицированной гравитации (гипотезы типа MOND — Modified Newtonian Dynamics), хотя последние не могут одновременно объяснить все наблюдательные данные.

Тёмная энергия: открытие

В 1998 году две независимые команды — Supernova Cosmology Project (Сол Перлмуттер) и High-z Supernova Search Team (Брайан Шмидт, Адам Рисс) — измерили расстояния до далёких сверхновых типа Ia (которые служат стандартными свечами благодаря постоянству их пиковой светимости). Результат оказался ошеломительным: далёкие сверхновые тусклее, чем ожидалось в модели замедляющегося расширения. Вселенная расширяется не замедляясь, а ускоряется. За это открытие в 2011 году была присуждена Нобелевская премия по физике.

Ускоренное расширение требует наличия компонента с отрицательным давлением, который в уравнениях Фридмана действует как антигравитация. Этот компонент назван тёмной энергией.

Модели тёмной энергии

Простейшая модель — космологическая постоянная , которую Эйнштейн ввёл в 1917 году для статической Вселенной, а затем назвал «величайшей ошибкой своей жизни». Уравнение состояния тёмной энергии в этой модели:

где — давление, — плотность. Космологическая постоянная соответствует энергии вакуума — фундаментальной энергии самого пространства. Её плотность остаётся постоянной при расширении Вселенной, тогда как плотность материи и излучения убывает. Именно поэтому тёмная энергия доминирует в современную эпоху: на ранних стадиях расширения её вклад был пренебрежимо мал по сравнению с плотностью материи.

Альтернативные модели включают квинтэссенцию — скалярное поле с переменным , которое может эволюционировать во времени, и модифицированную гравитацию, в которой уравнения Эйнштейна модифицируются на больших масштабах.

Космологическая модель ΛCDM

Современная стандартная модель космологии — ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter) — объединяет тёмную энергию в форме космологической постоянной и холодную (медленно движущуюся) тёмную материю. Содержимое современной Вселенной по этой модели:

| Компонент | Доля энергобюджета | |---|---| | Тёмная энергия () | ~68,3% | | Холодная тёмная материя | ~26,8% | | Барионное вещество (звёзды, газ, планеты) | ~4,9% |

Модель ΛCDM с шестью свободными параметрами (возраст Вселенной, плотности барионной и тёмной материи, параметр Хаббла, амплитуда и наклон спектра первичных флуктуаций) с высокой точностью описывает все основные наблюдательные данные: реликтовое излучение, крупномасштабную структуру, красные смещения сверхновых, нуклеосинтез.

Судьба Вселенной

Если тёмная энергия действительно является космологической постоянной (), то расширение Вселенной будет продолжаться вечно, ускоряясь. Галактики за пределами Местной группы постепенно исчезнут из поля зрения — их свет будет краснеть и ослабевать, пока они не станут принципиально недоступны для наблюдения. Эта гипотетическая конечная стадия называется Большое замерзание (Big Freeze): Вселенная будет остывать, стремясь к тепловой смерти — состоянию максимальной энтропии, в котором все процессы прекратятся.

Если (модель фантомной энергии), плотность тёмной энергии будет расти со временем, расширение ускорится настолько, что за конечное время масштабный фактор устремится к бесконечности — это сценарий Большого разрыва (Big Rip), при котором сначала разорвутся галактики, затем звёздные системы, затем планеты, атомы и сама ткань пространства-времени.

Текущие наблюдения (данные Planck, BAO, сверхновые) согласуются с с точностью порядка 5%, не исключая, но и не подтверждая отклонений. Разрешение этого вопроса — одна из главных задач современной экспериментальной космологии.