Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

11-19-5. Космологи предложили объяснение дефициту темной материи во Вселенной

11-19-6. Физики выяснили, сколько тёмной материи потеряла Вселенная

11-19-7. Физики предположили, что темная материя существует в другом измерении

11-19-8. «Светлые» и «темные» галактики указали на возможный переворот в космологии

11-19-9. Интервью с Николаем Горькавым

11-19-10. Далекие галактики раскрывают истинную природу темной материи

11-19-11. Темная материя может быть следствием существования «Антивселенной», противоположной нашему миру

Глава 11-19-1 Темная материя и космология

               Исследования реликтового излучения, в частности, выявление высокой степени его изотропности, дали толчок развитию космологии. Так, в 1982 году Джим Пиблс высказал идею, что противоречие между отсутствием существенных флуктуаций плотности барионной материи в момент рекомбинации и современной крупномасштабной структурой Вселенной, которая не успела бы развиться за прошедшее с этого момента время, может быть устранено предположением о большом количестве небарионной материи. Рост её флуктуаций способствовал бы формированию наблюдаемых неоднородностей распределения масс, никак не отпечатавшись при этом в реликтовом излучении.

               Сформулированная в 1980-х годах гипотеза инфляции, объяснявшая изотропность реликтового излучения, предполагала и то, что Вселенная является плоской и что, как следствие, плотность её вещества в точности равна критической. Поскольку оценки плотности обычного барионного вещества давали лишь ничтожную долю этой величины, это означало, в свою очередь, необходимость существования тёмной материи.

               В 1980-х годах, когда гипотеза тёмной материи уже установилась в качестве общепринятой, её исследования сфокусировались на том, что именно она собой представляет, каковы её свойства и роль в эволюции Вселенной. Это осуществлялось с помощью активно развивавшегося тогда благодаря прогрессу вычислительной техники численного моделирования, результаты которого сравнивались с полученными данными наблюдений.

               Важную роль, например, сыграл обзор красных смещений CfA1 и затем его второй этап CfA2. А начиная со следующего десятилетия интерес сместился к моделированию вида распределения тёмной материи в галактических гало. В начале XXI века появилась возможность использовать более точные и полные обзоры неба: 2dFGRS и последующий 6dFGS; самым подробным на настоящий день является SDSS. Численное моделирование космологической эволюции, в частности, роли тёмной материи в этом процессе, также стало более точным и масштабным: получили известность такие проекты как Millennium, Bolshoi Simulation и Illustris.

Глава 11-19-2 Стандартная космологическая модель (ΛCDM)

ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter, читается: «лямбда-си-ди-эм»)  — современная стандартная космологическая модель, в которой пространственно-плоская Вселенная заполнена, помимо обычной барионной материи, тёмной энергией (описываемой космологической постоянной Λ в уравнениях Эйнштейна) и холодной тёмной материей (англ. Cold Dark Matter). Согласно этой модели, для согласования с наблюдениями (в частности, космической обсерватории «Планк») возраст Вселенной должен быть принят равным 13,799 ± 0,021 миллиарда лет.

               Большинство современных космологических моделей основано на космологическом принципе, который утверждает, что наше местоположение во Вселенной никак особенно не выделяется и что на достаточно большом масштабе Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях (изотропна) и из каждого места (однородность). Этот принцип представляет собой не безусловное требование-постулат, а скорее презумпцию — то есть считается верным, пока не доказано обратное.

               С конца 1980-х — начала 1990-х годов большинство космологов предпочитают теорию существования холодной тёмной материи  для описания того, каким образом Вселенная из начального относительно однородного состояния на раннем этапе развития (как показывает распределение космического микроволнового излучения) перешла в состояние современного клочковатого распределения галактик и скоплений галактик.

               Предполагается, что общая теория относительности является правильной теорией гравитации на космологических масштабах. И объясняет расширение Вселенной, которое хорошо подтверждается космологическим красным смещением спектров удалённых галактик и квазаров.

               Собственно ΛCDM возникла в конце 1990-х годов и включает в себя космологическую инфляцию на ранних стадиях Большого взрыва для объяснения пространственной плоскостности Вселенной и начального спектра возмущений.

Глава 11-19-3 Стандартная космологическая модель (ΛCDM)

История возникновения ΛCDM

               Открытие космического микроволнового фона в 1965 году подтвердило ключевое предсказание космологии Большого Взрыва. С этого момента было принято считать, что Вселенная расширяется с течением времени, а раннее её состояние было плотным и горячим.