Лиза Рэндалл - Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

Нам известно, что должно существовать нечто со свойствами скрытой массы. Видеть это мы не можем, но гравитационное воздействие регистрируем исправно, и многочисленные наблюдательные данные о гравитационных эффектах в космосе говорят о том, что скрытая масса существует.

Первое указание на ее существование было получено при измерении скорости вращения звезд в скоплениях галактик. В 1933 г. Фриц Цвикки заметил, что галактики обращаются вокруг общего центра быстрее, чем следовало бы, исходя из видимой массы [59] Точнее — из массы, вычисляемой на основании разумных предположений о количестве звездной и газопылевой материи в галактиках скопления с учетом ее размеров и светимости. — Прим. пер. .

Вскоре после этого Ян Оорт обнаружил аналогичное явление и в Млечном Пути. Цвикки на основании собственных данных сделал вывод о существовании темной материи, которую никто не может непосредственно увидеть. Однако ни одно из этих наблюдений не было абсолютно убедительным. Казалось, что куда проще объяснить данные ошибкой наблюдения или пока неизвестной особенностью галактической динамики, чем придумывать исключительно для этого какую‑то невидимую субстанцию.

В то время, когда Цвикки проводил свои измерения, у его аппаратуры не хватало разрешения, и он не мог различать отдельные звезды. Гораздо более убедительные доказательства существования скрытой массы были получены Верой Рубин — астрономом–наблюдателем, которая много позже, в конце 1960–х — начале 1970–х гг. провела детальные количественные измерения движения звезд в далеких галактиках. То, что поначалу казалось «скучным» исследованием — наблюдения за движением звезд в галактиках (Вера обратилась к этой теме только потому, что этим в то время почти никто из астрономов не занимался), — оказалось первым серьезным свидетельством существования во Вселенной скрытой массы. Наблюдения Рубин и Кента Форда дали неопровержимые доказательства того, что Цвикки в давние времена пришел к корректному выводу.

Вам может показаться странным, что человек, посмотрев в телескоп, может увидеть нечто «темное» или «скрытое». Дело в том, что астрономы «видят» не скрытую массу, а ее гравитационное действие на другие объекты. Свойства любой галактики, в частности скорости движения звезд в ней вокруг общего центра, зависят от ее суммарной массы. Если бы во Вселенной не было ничего, кроме видимого вещества, то звезды на дальних пределах галактики и даже далеко за ее пределами должны были бы чувствовать ее гравитационное воздействие в намного меньшей степени. На самом же деле оказалось, что звезды, отстоящие от центра галактики вдесятеро дальше, чем видимый размер светящейся центральной части, обращаются вокруг центра галактики с той же скоростью, что и близкие к центру. А это означает, что плотность массы в галактике практически не уменьшается по мере удаления от центра — по крайней мере до расстояний вдесятеро больших, чем размер светящейся части.

Астрономы делают вывод о том, что галактики состоят преимущественно из невидимой — «темной» — материи. Светящееся вещество, которое мы наблюдаем, составляет немалую их часть, но большая часть галактики невидима, по крайней мере в обычном смысле этого слова.

РИС. 75. Свет, проходя мимо массивного объекта, может отклоняться от прямого пути, что с точки зрения наблюдателя создает на небе множественные изображения его источника

Сегодня у нас имеется немало и других косвенных доказательств существования скрытой массы. Пожалуй, самые непосредственные из них основаны на явлении линзирования (рис. 75). Линзирование — явление, возникающее при прохождении света мимо массивного объекта. Даже если сам этот объект не излучает света, то гравитационное воздействие он оказывает. Его гравитация может искривить траекторию прохождения света, излученного обычным, нетёмным объектом, расположенным позади него (с нашей точки зрения). Поскольку свет искривляется в разные стороны в зависимости от того, с какой стороны от объекта он проходит, и поскольку мы автоматически считаем траекторию света прямолинейной, линзирование может породить на небе множественные изображения одного и того же яркого объекта. Эти множественные изображения, в свою очередь, позволяют нам «увидеть» темный объект или по крайней мере сделать выводы о его существовании и свойствах, вычислив силу тяготения, необходимую для такого изгибания наблюдаемого света.

Возможно, самое сильное доказательство того, что все эти явления объясняются скрытой массой, а не, скажем, модифицированной теорией гравитации, можно видеть в так называемом кластере «Пуля», который представляет собой результат столкновения двух скоплений галактик (рис. 76). По ходу столкновения видно, что скопления содержат звезды, газ и скрытую массу (темная материя). Горячий газ в скоплениях взаимодействует настолько активно, что остатки газа сконцентрировались в центральной зоне столкновения. Темная материя, с другой стороны, не взаимодействует или по крайней мере взаимодействует слабо. Измерения эффектов линзирования показали, что темная материя действительно отделилось от горячего газа в соответствии с моделью, в которой существует слабо взаимодействующая темная материя и активно взаимодействующая обычная материя.

РИС. 76. Кластер «Пуля» (внешне действительно напоминающий летящую пулю) свидетельствует о том, что скопления галактик содержат темную материю и что их динамику вряд ли удастся объяснить при помощи модифицированной теории гравитации. Дело в том, что здесь мы видим разделение между активно взаимодействующим обычным веществом, которое при столкновении двух скоплений собирается в центре, и слабо взаимодействующим темным веществом, которое можно «увидеть» по гравитационному линзированию и которое, очевидно, просто проходит чужое скопление насквозь

Еще одно свидетельство существования скрытой массы исходит от реликтового излучения, о котором мы уже говорили. В отличие от линзирования, измерения этого излучения ничего не говорят нам о распределении скрытой массы. Зато реликтовое излучение сообщает нам суммарное энергетическое содержание скрытой массы: какую именно часть космического «пирога» она составляет по энергетическому показателю.

Измерения реликтового излучения много сообщают нам о ранней Вселенной и снабжают подробной информацией о ее свойствах. Эти исследования говорят в пользу существования не только скрытой массы, но и темной энергии. Согласно уравнениям общей теории относительности Эйнштейна Вселенная может быть «плоской» только в том случае, если она обладает нужным количеством энергии. Материи, даже с учетом всей скрытой массы, просто не хватит, чтобы объяснить ничтожную степень кривизны, измеренную WMAP и приборами на аэростатах. Должна существовать еще какая‑то энергия. Темная энергия — единственный способ объяснить «плоскую» Вселенную без доступной измерениям кривизны трехмерного пространства и согласовать теорию с имеющимися на сегодняшний день экспериментальными данными.