Астрономия для "чайников" - Стивен Маран

Темная материя: то, что соединяет галактики

Уже в 1930-х годах астрономы обнаружили признаки того, что по меньшей мере 90 % массы Вселенной не излучает света. Этот невидимый материал, называемый темной материей (dark matter), считается тем гравитационным клеем, который не дает звездам стремительно вращающейся галактики, как и галактикам скопления, разлететься в разные стороны. Похоже, что темная материя также сыграла решающую роль в том, что Вселенная стала такой, какой мы ее знаем сегодня, — паутиной из невероятно длинных сверхскоплений галактик, разделяемых гигантскими пустотами (см. главу 12). И, быть может, именно темная материя определяет судьбу Вселенной.

Что скрывается за недостатком массы

Первый намек на то, что во Вселенной есть темная материя, появился в 1933 году. Изучая движения галактик внутри большого скопления галактик в созвездии Волос Вероники, астроном Фриц Цвикки из Калифорнийского технологического института обнаружил, что некоторые галактики движутся с необычно высокой скоростью. И в самом деле, эти галактики из созвездия Волос Вероники двигались так быстро, что по всем законам физики выходило: все видимые звезды и газ в скоплении не сумели бы обеспечить такую связь между галактиками, чтобы те не разлетелись в разные стороны. И, тем не менее, со скоплением ничего не происходило, оно оставалось прежним.

Отсюда Цвикки заключил, что в созвездии Волос Вероники может существовать какая-то невидимая материя, восполняющая недостаток гравитации.

Но не менее удивительным, чем данный вывод, оказалось то, что в течение нескольких последующих десятилетий о темной материи не было никаких сенсационных статей в прессе. Многие астрономы считали, что, поскольку движение галактик изучено очень подробно, для "изобретения" невидимой материи нет никаких оснований. Но в 1970-х годах появились более убедительные доказательства существования темной материи. Выходило, что она есть не только в звездных скоплениях, но и в отдельных галактиках. В следующих разделах приведены основные аргументы в пользу существования темной материи.

Внешние и внутренние звезды движутся одинаково быстро

Вера Рубина и Кент Форд из Института Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия, изучали движение звезд в сотнях спиральных галактик и внезапно получили результат, казалось бы, противоречащий традиционным законам физики. Спиральная галактика напоминает плоскую яичницу, причем большая часть ее массы, по всей видимости, сосредоточена в "желтке"; астрономы называют это балдж (см. главу 12). Полученные изображения показывают, что видимая масса спирали быстро уменьшается с увеличением расстояния от балджа.

Ученые, естественно, ожидали, что звезды в спиральной галактике вращаются вокруг этого массивного центра так же, как планеты в нашей Солнечной системе вращаются вокруг Солнца. По открытому Ньютоном закону всемирного тяготения, внешние планеты, такие как Плутон и Нептун, вращаются вокруг Солнца медленнее, чем внутренние планеты, такие как Меркурий. Венера и Земля. Отсюда следует, что звезды на окраине спиральной галактики должны двигаться по орбитам медленнее, чем звезды, расположенные вблизи балджа. Однако Рубина и Форд получили иной результат.

Изучая галактику за галактикой, они обнаруживали, что внешние звезды движутся очень быстро, почти так же быстро, как и внутренние звезды. Как при столь малом количестве видимого вещества во внешних районах внешние звезды ухитряются мчаться так быстро и при этом не отрываться от галактики? При таких скоростях они давно должны были бы оторваться и улететь!

 И астрономы пришли к выводу, что видимая материя (visible matter) — звезды и светящийся газ, которые запечатлены на фотографиях, сделанных с помощью телескопа, — составляют только малую долю общей массы спиральной галактики.

 Хотя видимая масса действительно сосредоточена в центре, далеко за его пределами должно находиться огромное количество другого вещества. Каждую спиральную галактику должно окружать огромное гало темной материи. И чтобы оказывать достаточное гравитационное воздействие на звезды, находящиеся на видимых окраинах галактики, темная материя должна по массе превосходить видимую по меньшей мере в 100 раз. Другие типы галактик (эллиптических и неправильных) тоже имеют гало из темной материи.

Холодной темной материи в космосе очень много

Космологи (ученые, изучающие крупномасштабную структуру Вселенной и вопросы ее формирования) также ссылаются на темную материю в попытке объяснить главную тайну Вселенной: как из почти однородного "бульона" элементарных частиц, появившегося в результате Большого Взрыва (о котором я расскажу в главе 16), образовалась нынешняя "комковатая" структура Вселенной, состоящей из скоплений галактик и сверхскоплений?

И хотя с момента рождения Вселенной прошло примерно 15 миллиардов лет, этого времени недостаточно для того, чтобы видимая материя самостоятельно объединилась в гигантские космические структуры, которые мы наблюдаем сегодня.

Чтобы разрешить эту космологическую головоломку, ученые выдвинули гипотезу о том, что во Вселенной есть особый тип темной материи, холодная темная материя (cold dark matter), которая движется медленнее и группируется быстрее, чем обычная, видимая материя. В ответ на притяжение этого экзотического вещества обычная материя формирует звезды и галактики внутри мест самой плотной концентрации этой темной материи. Эта теория объясняет, почему все видимые галактики, похоже, находятся внутри гало из собственной темной материи.

Вселенная в значительной степени однородна

Астрономы верят в темную материю по еще одной "космической" причине: Вселенная, в крупном масштабе, выглядит одинаковой во всех направлениях и в целом однородна. Такое постоянство внешнего вида говорит о том, что Вселенная имеет как раз нужную плотность материи, называемую критической плотностью (critical density). По всей видимости, общего количества видимой материи, имеющегося во Вселенной, далеко недостаточно, чтобы достичь критической плотности. Этот недостаток и должна восполнять темная материя. И именно от количества темной материи зависит, будет ли Вселенная расширяться вечно или наступит поворотный момент, после которого она начнет сжиматься.

Темной материи больше 90 %

Если предыдущие рассуждения верны, то по меньшей мере 90 % (а может быть, даже 99 %) материи во Вселенной — это темная материя. В это трудно поверить, не правда ли?

Эта огромная Вселенная, с ее мириадами звезд и галактик, — всего лишь незначительная доля материи, находящейся вокруг нас! Если использовать аналогию с морем, то галактики — это морская пена, а темная материя — безбрежный невидимый океан, в котором они плавают.

Что такое темная материя

Ну хорошо, есть много убедительных причин, заставляющих верить в существование темной материи. Но что она собой представляет?

Вообще говоря, астрономы поделили возможные виды темной материи на два класса — барионная темная материя и странная темная материя.

Барионная темная материя, или глыбы в космосе

Темная материя первого вида может состоять из того же материала, что и Солнце, планеты и люди. Это привычная нам барионная материя. А барионы — это элементарные частицы, относящиеся к тому же классу, что и протоны и нейтроны, находящиеся в ядрах атомов.

 Барионная темная материя (baryonic dark matter) может содержать фрагменты любого трудно различимого материала, включая пыль, астероиды, коричневых карликов (неудавшиеся звезды) или белых карликов (холодные угасшие ядра солнцеподобных звезд). Такие глыбы материала, которые иногда называют МАСНО (Massive Compact Galo Objects — массивные компактные объекты гало) могут составлять гало, окружающие отдельные галактики. Однако этого далеко недостаточно, чтобы объяснить формирование крупномасштабных структур в космосе.

Странная темная материя

А темная материя второго типа может содержать множество необычных и экзотических, придуманных физиками субатомных частиц, которые очень мало или совсем не похожи на барионы. К этим частицам относятся нейтрино, которые действительно существуют, а также другие частицы — аксионы, скварки и фотино, которых пока еще не открыли.

Во время Большого Взрыва — потрясающего извержения энергии, в результате которого родилась Вселенная, — возможно, было создано множество странных "темноматериальных" частиц, из которых впоследствии осталось всего несколько. Сюда относится аксион (axion), представляющий собой что-то вроде миниатюрной черной дыры; он легче электрона в 100 миллиардов раз. И хотя аксионы очень легки, если их будет достаточно много, то они внесут значительный вклад в увеличение космической массы. Недавние эксперименты показывают, что нейтрино (частицы, которые, как раньше думали, имеют нулевую массу) на самом деле имеют массу и тоже могут вносить свой небольшой вклад в общую массу темной материи.