Знание-сила, 2006 № 08 (950)

В прямом эксперименте аксионы также не обнаружены, как и нейтралино. Физики надеются обнаружить их после введения в строй самого мощного в мире ускорителя, который сейчас строится в Женеве. А тем временем уже появляются попытки совсем иных объяснений темного вещества — например, как скоплений «черных дыр» минимальных размеров или «горячих» нейтрино. Недавние измерения реликтового космического излучения (оставшегося со времен зарождения Вселенной), показали, что это поразительное невидимое вещество составляет четверть всей массы Вселенной. Это в 6 раз больше, чем масса «видимого» вещества (всех звезд и газа), и понятно, что темное вещество «заправляет» Вселенной в куда большей мере, чем обычное. Тем более хочется разгадать, что же это такое.

Термин «темное вещество» был введен в 1933 году американским астрономом Цвикки. Он изучал скопления галактик и заметил непонятные аномалии в движении отдельных галактик внутри этих скоплений. Любая взятая случайно галактика движется так, как будто общая масса скопления больше суммы масс входящих в него галактик. Поскольку эта «излишняя» масса невидима, Цвикки предложил назвать ее «темной». Несколько позже в скоплениях были обнаружены облака горячего газа. Их измеренные характеристики позволили независимым образом рассчитать массы тех же скоплений. Она опять оказалась больше суммы ее составных частей. Возникло впечатление, что в скоплениях галактик действительно имеется невидимая, «темная» масса, в несколько раз превосходящая массу всего видимого вещества (звезд и газа).

Через несколько десятилетий после Цвикки американка Вера Рубин заметила подобные аномалии в движении отдельных звезд внутри вращающихся спиральных (плоских) галактик. В отличие от твердого диска, галактика не вращается как единое целое — каждая звезда движется сама по себе, вращаясь вокруг центра галактики, как планета вокруг Солнца, только «Солнцем» для нее является вся та масса галактики, которая ближе к центру, чем эта звезда. Законы Ньютона приводят к выводу, что в этом случае скорость звезды по мере ее удаления от центра галактики должна спадать.

Но Рубин обнаружила, что на самом деле скорость всех звезд, начиная с некоторого расстояния от центра, становится постоянной. Такое впечатление, что предписанный ньютоновой механикой спад скорости по мере удаления звезды от основной массы галактики компенсируется наличием какой-то дополнительной невидимой массы. Чтобы полностью компенсировать этот спад, невидимая масса должна нарастать пропорционально расстоянию до центра галактики. Это означает, что каждая галактика погружена в огромное сферическое облако невидимого («темного») вещества. Рассчитано, к примеру, что в случае нашей галактики диаметр этого облака составляет примерно 300 тысяч световых лет — в 3 раза больше диаметра самого Млечного Пути.

Гипотеза темного вещества объясняет особенности движения вещества в галактиках и их скоплениях, но не может объяснить некоторые другие загадки. Например, чтобы понять с ее помощью наблюдаемые различия в аномалиях вращения газа в разных галактиках, нужно постулировать, что темное вещество в каждой из них распределяется по-своему, то есть всякий раз приходиться подгонять его плотность в сферическом облаке иным образом. Это некрасиво. Между тем большие физики заповедали всем прочим, что правильная теория должна быть также изящной.

Далее, эта гипотеза не может объяснить также весьма странную особенность гигантских эллиптических галактик: сегодня считается, что они возникли из слияния спиральных галактик поменьше, а между тем их периферийные звезды вращаются так, как будто никакого темного вещества в них нет. Ну, и наконец, никто до сих пор не нашел никакого следа тех экстравагантных нейтралино и аксионов, из которых, как предполагают, состоит темное вещество.

Большинство астрофизиков примирились с этими недостатками в надежде, что со временем им удастся их устранить. Однако некоторые «еретики» пошли другим путем. Они попытались объяснить аномалии движения звезд в галактиках, не обращаясь к гипотезе темного вещества. Вместо этого они выдвинули другую гипотезу, предположив, что на больших расстояниях от центра галактики закон тяготения Ньютона (согласно которому сила тяготения спадает обратно пропорционально квадрату расстояния от притягивающего тела) сменяется другим законом (по которому сила тяготения спадает медленней).

Были предложены различные варианты этого «неньютонова закона тяготения». Всем им, как первым заметил израильский физик Мильгром, был присущ один общий недостаток. Какую бы зависимость от расстояния ни придумать, она неизбежно приведет к выводу, что отличие движения периферийных звезд от ньютоновских предписаний должно быть тем больше, чем больше расстояние этих звезд до центра, то есть чем больше размеры галактики. Но это противоречит наблюдениям: есть тусклые маленькие галактики с очень большими аномалиями и большие, яркие спиральные галактики с малыми аномалиями. Исходя из этого, Мильгром еще в 1983 году предложил принципиально иное изменение закона Ньютона. По его гипотезе, величина аномалии, то есть отклонения движения звезды от ньютоновского, зависит не от расстояния этой звезды до центра галактики, а от ее центростремительного ускорения при движении по «орбите» вокруг этого центра.

Гипотеза Мильгрома получила название МОНД, или «МОдифицированнная Ньютонова Динамика (см. „3-С“, 6/02)». Согласно ней, звезды, движущиеся под воздействием гравитации с ускорением больше какой-то критической величины, движутся нормально, «по-ньютоновски», с обычным ускорением силы тяжести. А вот те звезды, которые по ньютоновскому закону гравитации должны были бы иметь ускорение меньше критического, на самом деле движутся так, будто на них действует другая, неньютонова сила гравитации, которая сообщает этим звездам иное ускорение. Говоря проще, ньютонова механика неприменима там, где она дает телу ускорение меньше критического. Именно такие малые ускорения имеют звезды на периферии галактик. Это означает, что МОНД предлагает объяснить все аномалии в движении таких звезд отклонением от обычного (ньютонова) закона гравитации, без всякого темного вещества. И это ей удается.

На данный момент эта теория сумела успешно, то есть в соответствии с наблюдениями, предсказать движение периферийных звезд более чем в ста галактиках, исходя только из наблюдаемого распределения звезд и газа в них. Теориям, основанным на гипотезе о темном веществе, приходится для этого подгонять для каждой галактики целых три различных параметра. Так же успешно Милырому удалось объяснить и загадку эллиптических галактик: оказалось, что у них, даже на периферии, ускорения звезд много больше критического, а следовательно, движение этих звезд должно быть ньютоновым, — что и наблюдается.