Все звёзды, планеты, галактики, туманности, частицы и даже мы сами составляем лишь крошечную часть космоса. По современным оценкам, вся привычная материя занимает около 5% содержимого Вселенной. А остальные 95%? Учёные называют это тёмной материей и тёмной энергией.

И самое удивительное — человечество до сих пор толком не понимает, что именно скрывается за этими названиями. Это не преувеличение ради красивого эффекта. Именно так сегодня выглядит реальное положение дел в современной физике.

Вселенная расширяется. Более того — она делает это всё быстрее. Что-то буквально расталкивает пространство. Одновременно что-то другое удерживает галактики вместе гораздо сильнее, чем должна позволять их видимая масса.

Учёные дали этим загадочным явлениям названия, но назвать — не значит понять.

Тёмная материя — невидимый каркас космоса

Именно странное поведение галактик впервые заставило астрономов задуматься о существовании тёмной материи. В обычной спиральной галактике звёзды на окраинах должны вращаться вокруг центра медленнее, чем звёзды ближе к середине — точно так же, как дальние планеты Солнечной системы движутся медленнее внутренних. Но наблюдения показали нечто странное. Звёзды на краях галактик движутся почти с той же скоростью, что и звёзды ближе к центру.

Получается, внутри галактик должно быть гораздо больше массы, чем мы способны увидеть.

Эта скрытая масса и получила название «тёмная материя». По оценкам, она составляет примерно 27% всей Вселенной. При этом тёмная материя не испускает свет, не отражает его и вообще никак не взаимодействует с электромагнитным излучением. Единственное, что выдаёт её существование, — гравитация.

Учёные предложили множество возможных вариантов её природы: массивные слабовзаимодействующие частицы, аксионы и даже древние первичные чёрные дыры.

Но есть одна проблема: ничего из этого до сих пор не удалось обнаружить напрямую. Именно поэтому поиски тёмной материи считаются одновременно одними из самых важных и самых раздражающих задач современной физики.

Тёмная энергия ещё загадочнее

Если тёмная материя хотя бы удерживает галактики, то тёмная энергия выглядит ещё более странной.

Сам термин появился в 1998 году благодаря астрофизику Майклу Тёрнеру из Чикагского университета. Он специально выбрал название, которое подчёркивало бы: речь идёт о глубокой и пока неразрешимой проблеме.

В конце 1990-х две независимые группы астрономов изучали далёкие сверхновые и обнаружили шокирующий результат: галактики не просто удаляются друг от друга — скорость этого расширения увеличивается.

Вселенная расширяется всё быстрее. Это полностью противоречило ожиданиям. Гравитация должна была постепенно замедлять расширение, а не ускорять его. Как позже говорил сам Тёрнер, это выглядело так, будто Вы подбросили ключи вверх, а они внезапно продолжили лететь к потолку вместо того, чтобы упасть обратно.

Сегодня считается, что тёмная энергия составляет около 68–70% всей массы и энергии Вселенной.

В отличие от тёмной материи, которая собирается вокруг галактик, тёмная энергия распределена по пространству почти равномерно. И, что особенно странно, её плотность почти не уменьшается даже по мере расширения Вселенной.

При этом доминировать она начала сравнительно недавно — примерно 5 миллиардов лет назад.

Главные теории — и почему ни одна пока не работает

Самое популярное объяснение связано с так называемой космологической постоянной — энергией пустого пространства.

Интересно, что сам Альберт Эйнштейн когда-то ввёл эту идею как математическую «заплатку» для своих уравнений, а затем отказался от неё. Позже концепцию снова вернули в науку. Но здесь возникает огромная проблема. Когда физики пытаются вычислить энергию вакуума с помощью квантовой теории, результат расходится с наблюдаемыми данными более чем на 100 порядков.

Для науки это колоссальное несоответствие. Другая теория — квинтэссенция — предполагает, что тёмная энергия представляет собой особое динамическое поле, которое меняется со временем.

Некоторые современные обзоры распределения галактик действительно дают намёки в эту сторону, но убедительных доказательств пока нет.

Существует и ещё одна возможность: возможно, теория относительности Эйнштейна просто неполна, а то, что мы называем тёмной энергией, на самом деле связано с тем, что человечество пока недостаточно понимает саму природу гравитации.

Как однажды признал профессор Джошуа Фрайман, один из создателей проекта Dark Energy Survey: «Немного неловко осознавать, что мы почти не понимаем, из чего состоит 70% Вселенной». И это довольно точно описывает ситуацию.

Заключение

Наука не теряет достоинства, когда честно признаёт своё незнание. Наоборот — именно с этого и начинается настоящее открытие.

Тёмная материя и тёмная энергия напоминают нам, насколько огромна и загадочна Вселенная. Человечество блестяще изучило те самые 5% видимого космоса, но оставшиеся 95% всё ещё скрыты во тьме.

И это не поражение науки. Это приглашение двигаться дальше. Каждая неизвестность — словно закрытая дверь. И современная физика только начинает осторожно поворачивать ручку.