Все звёзды, планеты, люди и межзвёздный газ составляют лишь небольшую часть космического баланса. Около девяноста пяти процентов Вселенной мы видим только по косвенным эффектам. И слово «состоит» здесь требует неожиданной оговорки.

2. Знакомое вещество — примерно пять процентов

Обычное вещество физики называют барионным. В основном это протоны и нейтроны, из которых собраны атомные ядра, а вместе с электронами — атомы. Из такого вещества сделаны звёзды, планеты, пыль, живые организмы и приборы, которыми мы всё это изучаем.

По данным космологической модели, согласованной с наблюдениями миссии Planck, доля обычного вещества в нынешней плотности массы и энергии Вселенной близка к пяти процентам. Причём звёзды содержат лишь часть этого запаса. Много барионов находится в разреженном межгалактическом газе, который трудно увидеть.

Это не значит, что остальные девяносто пять процентов состоят из каких-то особых атомов. Они проявляют себя иначе и получили два рабочих названия: тёмная материя и тёмная энергия. Слово «тёмная» честно сообщает не цвет, а наше незнание природы явления.

3. Невидимая масса — около четверти

Тёмная материя даёт примерно четверть общего космического бюджета, или около 26–27 процентов в оценках Planck. Она не светится и, насколько известно, почти не поглощает и не отражает электромагнитное излучение. Но её гравитация влияет на движение звёзд и галактик.

Без дополнительной невидимой массы окраины спиральных галактик вращались бы иначе. Гравитационное линзирование также показывает больше массы, чем можно насчитать по звёздам и горячему газу. А распределение галактик в космической паутине согласуется с моделями, где тёмная материя создаёт основной гравитационный каркас.

Мы не знаем, из каких частиц она состоит. Среди кандидатов — слабовзаимодействующие массивные частицы, аксионы и другие гипотетические частицы. Рассматриваются и более экзотические варианты, но ни один пока не получил общепризнанного прямого подтверждения.

4. Большая доля — не вещество

Оставшиеся примерно 68–69 процентов называют тёмной энергией. Это не облака невидимого топлива между галактиками. Термин обозначает неизвестный компонент или свойство пространства, связанное с ускоренным расширением Вселенной.

В общей теории относительности простейшим описанием служит космологическая постоянная: постоянная плотность энергии пустого пространства. Такое описание хорошо согласуется со многими наблюдениями, но создаёт серьёзную теоретическую загадку. Расчёты квантовой физики и наблюдаемая величина этой энергии чрезвычайно трудно согласуются.

Есть и альтернативные идеи: меняющееся во времени поле или необходимость поправить закон гравитации на огромных масштабах. Пока они не вытеснили космологическую постоянную. Поэтому тёмная энергия — не найденное вещество с известным составом, а название наблюдаемого космологического эффекта и его простейшего объяснения.

5. Что не помещается в круговую диаграмму

Фотоны, нейтрино и гравитационные волны тоже несут энергию. В ранней горячей Вселенной излучение было важнейшим компонентом, но сегодня его доля в общем бюджете очень мала. В популярной диаграмме её обычно не показывают отдельно или включают в округление.

Проценты также не означают доли объёма. Нельзя вырезать кусок космоса и сказать, что 69 процентов его пространства заполнено тёмной энергией, 26 процентов — тёмной материей, а остальное — атомами. Речь идёт о вкладах в среднюю плотность массы и энергии в рамках модели.

Наконец, тёмная материя распределена неравномерно: она образует гало вокруг галактик и структуру космической паутины. Тёмная энергия, напротив, в простейшей модели почти однородна. Одна круговая диаграмма скрывает эту принципиальную разницу.

6. Что говорит наука

Подтверждено наблюдениями: обычного вещества недостаточно для объяснения вращения галактик, линзирования, роста структуры и свойств реликтового излучения. Также подтверждено, что расширение Вселенной в позднюю эпоху ускоряется. Эти выводы опираются на разные методы, а не на один прибор.

Наиболее вероятное современное описание — модель ΛCDM: около 5 процентов барионного вещества, около 26 процентов холодной тёмной материи и около 69 процентов компонента, подобного космологической постоянной. Точные доли немного меняются при обновлении данных и набора допущений.

Не установлено, какие частицы образуют тёмную материю и является ли тёмная энергия истинной энергией вакуума. Сохраняются и напряжения между некоторыми измерениями, например разными оценками скорости расширения. Это повод улучшать модель, но не основание отменять весь накопленный набор наблюдений.

7. Итог

Итак, Вселенная состоит примерно на пять процентов из знакомого вещества, примерно на четверть — из невидимой гравитирующей массы и более чем на две трети — из компонента, ускоряющего расширение. Самая честная часть ответа такова: основную долю космоса мы пока умеем измерять лучше, чем понимать.

Поделитесь, какая из трёх частей кажется вам самой загадочной.