Представьте, что вы хотите определить массу дома и его содержимого. Вы берете дом и устанавливаете его в гигантских масштабах. Скажем, ради аргумента, вы измеряете массу в 100 000 фунтов (45 359 кг). Теперь представьте, что вы хотите увидеть, какой вклад вносит каждый предмет в доме в общую массу. Вы удаляете один предмет за раз и кладете его на весы. Вы даже удаляете весь воздух, чтобы получить меру его массы. Теперь предположим, что масса отдельных объектов, включая пол, стены и крышу дома, составляет в сумме 5 000 фунтов (2 268 кг). Что вы думаете? Как бы вы объяснили расхождение в массах? Вы бы пришли к выводу, что в доме должен быть какой-то невидимый материал, утяжеляющий конструкцию?
В течение последних 40 лет это именно та дилемма, с которой столкнулись астрономы, пытаясь определить строительные блоки Вселенной. До этого они думали, что Вселенная содержит обычную материю - то, что вы можете увидеть. Просканируйте космос, и такие вещи кажутся очевидными. Существуют миллиарды галактик, каждая из которых заполнена миллиардами звезд. Вокруг некоторых из этих звезд планеты и их луны движутся по эллиптическим орбитам. А между этими большими сферическими телами лежат объекты неправильной формы, размер которых варьируется от огромных астероидов до метеороидов размером с камень и крошечных частиц размером не больше пылинки. Астрономы классифицируют все это вещество какбарионную материю, и они (и мы) знаем ее самую фундаментальную единицу какатом, который сам состоит из даже более мелкие субатомные частицы, такие как протоны, нейтроны и электроны. (Для простоты мы опустим лептоны и кварки.)
Начиная с 1970-х годов астрономы начали собирать доказательства, которые заставляли их подозревать, что во Вселенной есть нечто большее, чем кажется на первый взгляд. Одна из самых больших подсказок пришла, когда ученые попытались определить массы галактик. Они сделали это, измерив ускорение облаков, вращающихся вокруг внешних краев галактики, что позволило им рассчитать массу, необходимую для создания этого ускорения. То, что они обнаружили, было удивительным: масса, стоящая за орбитальным ускорением галактических облаков, была в пять раз больше, чем масса вещества, которое вы могли видеть - звезд и газа - разбросанных по галактике. Они пришли к выводу, что должен быть какой-то невидимый материал, окружающий галактику и удерживающий ее вместе. Они назвали этот материалтемная материя, позаимствовав термин, впервые использованный швейцарским астрономом Фрицем Цвикки в 1930-х годах.
Двадцать лет спустя ученые заметили, чтосверхновые типа Ia- умирающие звезды, имеющие одинаковую внутреннюю яркость - находились дальше от нашей галактики, чем должны были. Чтобы объяснить это наблюдение, они предположили, что расширение Вселенной на самом деле ускоряется или ускоряется. Это вызывало недоумение, поскольку гравитация, присущая темной материи, должна была быть достаточно сильной, чтобы предотвратить такое расширение. Был ли какой-то другой материал, обладающий антигравитационным эффектом, причиной быстрого расширения Вселенной? Так считали астрономы, и назвали этот материалтемная энергия
В течение десятилетия космологи и физики-теоретики спорили о существовании темной материи и темной энергии. Затем, в июне 2001 года, НАСА запустиломикроволновый зонд анизотропии Уилкинсона, илиWMAP. микроволновый фон - затяжное излучение, оставшееся от Большого взрыва. Это позволило астрономам с большой точностью измерить плотность и состав Вселенной. Вот что определил WMAP: Барионная материя составляет ничтожные 4,6 процента Вселенной. Темная материя составляет всего 23 процента. А остальное составляет темная энергия - целых 72 процента!
Конечно, измерение относительных пропорций строительных блоков Вселенной - это только начало. Теперь ученые надеются выявить вероятных кандидатов на темную материю. Они рассматривают коричневые карлики как одного из возможных кандидатов. Эти звездообразные объекты не светятся, но их сильная гравитация, воздействующая на близлежащие объекты, дает подсказки об их существовании и местонахождении. Сверхмассивные черные дыры также могут составлять темную материю во Вселенной. Астрономы предполагают, что эти космические воронки могут питать далекиеквазары и их может быть гораздо больше, чем когда-либо предполагалось. Наконец, темная материя может состоять из еще не описанных частиц. Эти крошечные частицы материи могут существовать где-то глубоко в атоме и могут быть идентифицированы в одном из мировых суперколлайдеров, таком как Большой адронный коллайдер..
Разгадка этой загадки остается одной из самых приоритетных задач науки. Пока это решение не придет, мы должны жить с унизительной идеей, что дом, который мы пытались взвесить в течение многих лет, тяжелее, чем мы ожидали, и, что еще более тревожно, находится за пределами нашего понимания.