Лишний вес Вселенной

Лишний вес Вселенной

В 1933 г. швейцарско-американский астроном Фриц Цвикки заметил, что кроме светящегося вещества галактик во Вселенной должны быть еще невидимые, «скрытые» массы, которые проявляют себя только своим тяготением. Он изучал скопление галактик Кома в созвездии Волосы Вероники – крупное образование, содержащее тысячи звездных систем, подобных туманности Андромеды или нашей Галактике. Галактики движутся в этом скоплении со скоростями, достигающими 1000 км/с. Чтобы удержать их в объеме скопления, требуется тяготение, которое не способны создать одни только видимые, светящиеся массы самих галактик. Для этого необходимо более сильное тяготение, и, согласно подсчетам Цвикки, требуются дополнительные массы, которые примерно в 10 раз больше суммарной видимой массы галактик скопления.

Закон Хаббла связывает простым соотношением скорость V галактики и расстояние R до нее: V = H R. Чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Коэффициент пропорциональности H – постоянная Хаббла; ее значение соответствует увеличению скорости разбегания на 60—75 км/с на каждый мегапарсек расстояния

Позднее, в 1970-х гг., усилиями астрономов СССР и США было обнаружено, что скрытые массы должны присутствовать не только в скоплениях галактик, но и в изолированных крупных галактиках. Яан Эйнасто, Вера Рубин, Джеремайя Острайкер, Джим Пиблс и их коллеги выяснили, что скрытые массы образуют невидимые гало галактик. Дело в том, что можно измерить зависимость скорости вращения спиральных галактик от расстояния до центра (кривая вращения), которое прослеживается как внутри звездной системы, так и вне ее (по движению облаков нейтрального водорода). В области вне видимого диска галактики кривая вращения становится, как правило, плоской, т. е. практически не зависит от расстояния. Во всех случаях ход этой «плоской» зависимости указывает на присутствие скрытой материи и внутри звездной системы, и вне ее, причем масса невидимой материи в гало в 3—10 раз больше массы галактики.

Эти гало имеют почти сферическую форму, их радиусы в 5—10 раз превышают размеры самих звездных систем. Такие крупные галактики, как, скажем, туманность Андромеды или наша Галактика, состоят из звездного диска, погруженного в распределение невидимой массы, которое простирается на расстояния до 100 кпк. Эти темные гало, как и дополнительные массы у Цвикки, проявляют себя исключительно тяготением. Невидимое вещество, наполняющее гало галактик и скоплений, принято сейчас называть темной материей.

Другие интересные эмпирические данные, подтверждающие существование темной материи, связаны с эффектом гравитационной линзы. Скопления галактик создают эйнштейновский эффект отклонения света полем тяготения. Источником света служат в этом случае далекие галактики и квазары. Изображения галактик искажаются при прохождении их света в гравитационном поле скопления, служащего своеобразной гравитационной линзой. Различают сильное и слабое линзирование. При сильном линзировании искажение столь значительно, что появляется несколько изображений источника. Это происходит, когда угловое расстояние между линзой и источником относительно невелико. При сравнительно больших угловых расстояниях искажение не так значительно (слабое линзирование), и оно сводится к изменению видимой формы источника, но уже без дробления его изображения. В обоих случаях этот эффект дает указание на массу скопления, служащего гравитационной линзой. Изучая такие искажения для сотен тысяч и миллионов далеких галактик, можно получить сведения о величине и распределении массы в скоплениях-линзах. Наблюдения такого рода неизменно указывают на то, что скопления содержат большие скрытые массы.

Наблюдаемые локальные (в системе центра масс) скорости галактик в скоплениях слишком велики, чтобы их можно было объяснить тяготением только видимой, светящейся материи. Для удержания их в объеме скопления требуются дополнительные, «скрытые» массы, которые на порядок превосходят видимую массу самих галактик. Сказанное относится и к вращению крупных галактик, таких, например, как туманность Андромеды. Невидимое вещество, наполняющее сферические гало галактик и скоплений, принято называть темной материей

Открытие темной материи – второе (после открытия космологического расширения) важнейшее событие в истории космологии. Обычное вещество, из которого состоит планета Земля (и все, что на ней, включая и нас самих), Солнце, другие звезды, складывается всего из трех видов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. А темная материя, которой во Вселенной гораздо больше, имеет совсем другой состав: это не барионы (протоны и нейтроны), не электроны, а… неизвестно что.

Темная материя может заявлять о себе, деформируя изображения далеких объектов наподобие искажений, вносимых старым стеклом. Можно оценить распределение темной материи, которая вызывает эти искажения. При сильном гравитационном линзировании искажение столь значительно, что появляется несколько изображений источника. Слабое линзирование сводится только к изменению видимой формы источника. Недавно были получены результаты обработки снимков 200 тыс. галактик, сделанных Канадско-франко-гавайским телескопом. Здесь представлен пример компьютерного моделирования распределения темной материи (показана красным цветом), которая искривляет световые лучи от далеких галактик и искажает их форму. Автор С. Коломби (Парижский астрофизический институт)

Четверть века назад Я. Б. Зельдович активно развивал представление о том, что темная материя могла бы состоять из нейтрино. Космологические нейтрино (и антинейтрино) определенно имеются во Вселенной. Они вышли из равновесия с веществом, когда возраст мира был меньше одной секунды, и с тех пор присутствуют в космосе, взаимодействуя с остальными видами энергии практически только гравитационно. Их должно быть в среднем около 300 в каждом кубическом сантиметре пространства. В начале 1980-х гг. казалось, что лабораторный физический эксперимент позволяет этим частицам иметь массы, подходящие для того, чтобы нейтрино могли играть роль темной материи. Сейчас, однако, стало ясно, что массы нейтрино значительно меньше, так что на них можно списать в лучшем случае примерно 10 % темной материи. Каковы же тогда основные носители этой субстанции?

Одна из современных гипотез, выросшая из идеи Зельдовича, заключается в том, что темная материя состоит в основном из частиц, в некотором смысле очень похожих на нейтрино: они стабильны, не имеют электрического заряда и участвуют только в гравитационном и слабом взаимодействиях. Однако такие частицы сильно отличаются от нейтрино по массе: они должны быть очень тяжелыми, примерно в 1000 раз тяжелее протона, так что энергия покоя такой частицы составляет около 1 ТэВ. Такие частицы до сих пор не были известны ни в теории, ни в физическом эксперименте. Если они действительно существуют, то, как показывает теория, они вполне могли бы присутствовать во Вселенной в нужном количестве. Таким путем космология приходит к интересному предсказанию: в природе должны существовать массивные стабильные слабовзаимодействующие элементарные частицы, на долю которых приходится примерно 25 % всей массы и энергии Вселенной, что в 4—5 раз больше, чем вклад барионов.

Согласно одной из Гипотез, Темная Материя состоит из частиц, похожих на Нейтрино. однако такие частицы должны быть примерно в 1000 раз тяжелее Протона

Возможно, нужные по свойствам новые частицы будут обнаружены на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, который готовится к проведению небывалых экспериментов. На этом мощнейшем ускорителе пучки протонов и ионов будут разгоняться до энергий более 10 ТэВ, что заметно превышает энергию покоя гипотетических темных частиц. В нескольких крупных лабораториях мира, в том числе и в России, строятся специальные установки для детектирования частиц темной материи, приходящих на Землю из гало нашей Галактики. Не исключено, что вопрос о физической природе темной материи будет решен уже в недалеком будущем. Во всяком случае эта загадка не кажется такой безнадежной, как природа космологического расширения.

⇐ Предыдущая 123 4 Следующая ⇒