Баланс массы и энергии во Вселенной

Как был рассчитан баланс массы и энергии во Вселенной? Откуда мы знаем, что темная энергия приблизительно. 70%?

ОТВЕТ

Баланс массы и энергии различных компонентов Вселенной получен из многих наблюдений. Очень важно изучить флуктуации интенсивности микроволнового фонового излучения, достигающего Земли со всех направлений. Это излучение было испущено на ранней стадии эволюции Вселенной во время так называемой рекомбинации, то есть слияния протонов и альфа-частиц в атомы водорода и гелия. Детали распределения этой интенсивности на небесной сфере позволяют сделать выводы о:

• геометрия Вселенной (оказывается, что пространство плоское в очень хорошем приближении, т.е. является трехмерным эквивалентом плоскости, а не поверхности сферы или другой причудливо изогнутой поверхности);
• количество барионов (обычной материи) во Вселенной, независимо от того, видим ли мы сегодня эту материю в виде светящихся объектов (звезд и горячего газа) или нет;
• количество темной материи (о природе которой пока мало что известно, поскольку ее еще не удалось поймать в лаборатории), которая не светится и не взаимодействует со светом, поэтому о ее свойствах можно сделать максимум косвенные выводы, и известно лишь, что она ведет себя как обычные, тяжелые частицы.

Эти наблюдения, и особенно вывод о существовании темной материи, согласуются с исследованиями кривых вращения галактик (звезды обращаются вокруг центров галактик быстрее, чем это могла бы позволить сила гравитации только светящейся материи) и моделированием слияния материи в наблюдаемые космические структуры, такие как галактики и скопления галактик.

К этому следует добавить еще три аргумента:

• общая теория относительности связывает скорость расширения Вселенной (измеряемую), ее геометрию (измеряемую) с массой и плотностью энергии всех ее компонентов (соответствующее соотношение называется уравнением Фридмана). Вышеупомянутое излучение, барионы (и другие известные частицы) и темная материя дают слишком малый вклад, чтобы объяснить эту скорость.
• Дальние сверхновые тусклее, чем они должны быть во Вселенной, заполненной вышеуказанными компонентами, что говорит о том, что они удалялись быстрее, и наилучшее соответствие данным получено для Вселенной, скорость расширения которой ускоряется определенным образом.
• Симуляции слияния материи в наблюдаемые космические структуры лучше всего работают для Вселенной, расширяющейся с ускорением.

Вклад в плотность энергии ускоряющейся расширяющейся Вселенной называется темной энергией.

Объединив все эти наблюдения (и некоторые другие) и проведя их тщательный количественный анализ, можно получить конкретные выводы о количестве излучения, барионов, темной материи и темной энергии, присутствующих во Вселенной.