Сколько в космосе материи? Ответ на этот вопрос искали и нашли астрономы из США и Египта, опубликовавшие результаты своих исследований в научном журнале Astrophysical Journal.

Космос как винегрет

Из чего состоит Вселенная? Разумеется, в ней есть звезды и планеты. А еще межзвездный газ, которого примерно столько же, сколько звезд (по массе). На бескрайних просторах между галактиками изредка встречаются атомы межгалактического газа. Изредка-то изредка, однако в сумме это вещество весит вчетверо больше, чем звезды и межзвездный газ вместе взятые. Но и это далеко не основной ингредиент космического салата. Ученые уже несколько десятилетий знают о существовании еще одного компонента — темной материи. Это вещество не наблюдается ни в какие телескопы, но более чем ярко проявляет себя своей гравитацией. Под дудку его тяготения пляшут и звезды в галактиках, и галактики в скоплениях.

Существование темной материи — доказанный факт, он надежно установлен несколькими способами. Но вот вопрос, из чего она состоит, спорный. Несомненно, некоторую ее часть составляют привычные астрономам объекты, такие как черные дыры, коричневые карлики, холодный газ и так далее. Просто они слишком далекие и тусклые, чтобы земные телескопы могли их разглядеть. Эта часть темной материи называется барионной — в честь барионов, то есть класса частиц, к которому относятся протоны и нейтроны. Именно из протонов и нейтронов состоят атомные ядра, а потому к барионной материи относится все знакомое нам обычное вещество.

Однако большинство специалистов склоняются к мысли, что львиная доля темной материи не может состоять из атомных ядер. После Большого взрыва просто не могло образоваться столько барионов, говорят они и приводят весьма убедительные расчеты. Так что предполагается, что большая часть темной материи состоит из неизвестных частиц, еще не открытых физиками-экспериментаторами. Эта загадочная субстанция вполне логично называется небарионной темной материей. Подчеркнем, что небарионная природа подавляющей части темной материи еще не доказана. Но эта гипотеза настолько авторитетна, что включена в господствующую модель Вселенной (ΛCDM-модель).

Однако и это еще не все. Главный ингредиент «космического винегрета» — темная энергия, ускоряющая расширение Вселенной. Существование этого дополнительного ускорения — хорошо проверенный факт, за открытие которого Брайан Шмидт и Адам Рисс в 2011 году удостоились Нобелевской премии по физике. А вот о природе вызывающей его темной энергии ученые продолжают спорить. Большинство экспертов считают, что это некое свойство вакуума или же пронизывающее пространство поле. Встречаются, однако, и более экзотичные версии.

Божественные пропорции

Сколько в мире барионной материи (то есть видимой и некоторой части темной), небарионной темной материи и темной энергии? В каких пропорциях смешан этот салат? Это важный вопрос, от которого зависит, например, как расширяется Вселенная и как образовались галактики и их скопления. 

Для начала поясним, как сравнивают материю с энергией. Дело в том, что в любой массе заключена энергия, количество которой можно вычислить по знаменитой формуле Е = mc². И, между прочим, это количество впечатляет: в одном грамме вещества заперто около двадцати килотонн в тротиловом эквиваленте. Пересчитав массу в энергию, космологи выясняют вклад барионного вещества, небарионной материи и темной энергии в полную энергию Вселенной. Такие расчеты проводились неоднократно и разными способами. Но авторы новой статьи использовали собственный путь.

Как взвесить Вселенную

Когда мир был юным, вещество было рассеяно по пространству гораздо более равномерно, чем сейчас. Под действием собственной гравитации оно стянулось в галактики и их скопления. Этот процесс очень сильно зависел от количества материи во Вселенной. Чем больше вещества (барионного и небарионного вместе взятого), тем чаще должны встречаться скопления галактик и тем более высокую массу они должны иметь. Исследователи смоделировали на компьютере образование скоплений галактик при разном количестве материи во Вселенной и сравнили результаты с данными наблюдений.

Это не новый метод, и он успел хорошо зарекомендовать себя. Но авторы внесли в него важное изменение. Они разработали и применили процедуру, которая помогает понять, принадлежит ли та или иная галактика к скоплению. Это непростой вопрос, поскольку при взгляде с Земли мы видим не трехмерную картину, а плоскую. Звездная система, которая кажется нам принадлежащей к кластеру, может на самом деле находиться перед ним или за ним.

Используя свой алгоритм, ученые индивидуально вычисляли массу каждого скопления. Этим их исследование отличается от работ предшественников, в которых использовалась средняя масса многих скоплений. Кроме того, астрономы опирались на собственный каталог скоплений галактик GalWCat19. В нем перечислены более 1800 кластеров, в которые входит в общей сложности более 38500 галактик. Свой каталог авторы сформировали по данным крупнейшего обзора SDSS, выбирая самые яркие и близкие скопления. Особенно важно, что они близкие. Их свет путешествовал до Земли не более 2,5 млрд лет. Это позволяет не делать поправку на расширение Вселенной и те перемены, которые могли произойти в этих кластерах со временем.

Наш мир пуст

Завершив расчеты, исследователи получили, что вся материя в целом (видимое вещество, барионная часть темной материи и ее небарионная часть вместе взятые) обеспечивают только 31% всей энергии во Вселенной. Остальные 69% приходятся на таинственную темную энергию. Отметим также, что, хотя из расчета авторов это и не следует, ранее было установлена доля привычной нам барионной материи среди всей материи Вселенной — она составляет всего 20%.

Результаты авторов не очень отличаются от данных, полученных другими методами. Некоторые измерения отводят темной энергии чуть большую долю космического пирога — более 70%. Другие останавливаются на 68%. Но так или иначе именно это загадочное нечто — по-прежнему самый большой резервуар энергии в космосе.

Совпадение результатов, полученных разными способами, — хорошее свидетельство их надежности. Другими словами, похоже, что Вселенная действительно устроена именно так.

Авторы приводят выразительный пример. Представим, что вся материя, в том числе и та, которая обычно считается небарионной, состоит из водорода. Сколько понадобилось бы атомов, чтобы обеспечить ее наблюдаемое количество? В среднем всего шесть атомов на кубический метр пространства. Для сравнения: в стакане воды больше атомов, чем стаканов воды в Мировом океане.

Считанные атомы на кубический метр — это не просто вакуум. Это настолько глубокий вакуум, что его создание лежит далеко за границами технических возможностей человечества. Если усреднить космос, получится пустота. Звезды, планеты и мы сами существуем только потому, что материя не рассеяна по пространству равномерно, а собрана в плотные комки, разделенные пустынными безднами. Возможно, понимание этого факта поможет человечеству осознать свою уникальность в космосе и еще раз удивиться чуду научного познания, позволяющего на основе наблюдений и компьютерных моделей постигать устройство мироздания.