Темный космос: тяжесть невидимого

Посредством телескопа «Хаббл» ученые из Калифорнийского технологического университета выстроили модель распределения чёрной материи в пространстве (на маленьком участке небосвода) и эволюции его во времени (на 6,5 млрд. лет)
Простая, барионная, материя не так уж распространена во Вселенной. Ее всего около 5 процентов. Но в отечественном ближайшем окружении (в частности, в Млечном Пути) она превалирует

Создавая правильные измерения флуктуаций фона реликтового микроволнового излучения, орбитальная обсерватория WMAP разрешает делать выводы о составе плотности материи и нашей Вселенной, как простой, так и чёрной
Вера Рубин стала второй дамой-лауреатом золотой медали Королевского астрономического общества. Первой была Каролина Лукреция Гершель, партнёр и сестра великого Уильяма Гершеля, которая взяла эту приз во второй половине 20-ых годов XIX века

Отечественное родимое электронно-барионное вещество образовывает только малую долю (около 1/7) «материальной» части отечественной Вселенной. Остальные 6/7 приходятся на совсем иную материю, о которой ровно ничего не известно. Но кроме того вместе с этой таинственной материей все наличные электроны и барионы (общим количеством приблизительно 1078) составляют меньше 30 процентов неспециализированной массы Вселенной.

Остаток снабжает некое поле, концентрирующее в себе энергию физического вакуума. Так что в случае если из Космоса убрать все, что лишь видят телескопы, он фактически не похудеет.

Млечный Путь

Как же ученые заподозрили, что на общепринятом портрете Вселенная представлена с изрядным недовесом?

В конце 20-х годов три блестящих астролога — шведы Бертил Линдблад и Густав Стромберг, трудившийся в калифорнийской обсерватории Маунт-Вильсон, и голландец Ян Оорт изучали перемещение светил отечественной Галактики. Стромберг доказал, что звезды совершают не только упорядоченные, но и хаотические перемещения, похожие на перемещение молекул в газе. Линдблад понял, что все звезды обращаются около центральной части Млечного Пути.

Наконец, во второй половине 20-ых годов XX века Оорт узнал, что угловая скорость вращения звезды зависит от расстояния от нее до галактического ядра и что родные к ядру звезды крутятся стремительнее периферийных, следуя примеру планет Нашей системы. Не смотря на то, что данный вывод следует из законов Кеплера и сейчас результаты Оорта выглядят практически тривиальными, не следует забывать, что в те времена не было человека, кто знал о спиральной структуре Млечного Пути.

В первой половине 30-х годов уже было доказано, что звезды не просто вращаются около центра Галактики, но и смещаются в направлении, перпендикулярном ее основной плоскости. Еще в 1919 году известный английский астрофизик Джеймс Джинс установил математическую закономерность, которой подчиняются подобные смещения. Его уравнение связывает вертикальное перемещение звезды с гравитационным потенциалом галактического диска, что, со своей стороны, зависит от его полной массы.

В первой половине 30-ых годов двадцатого века Оорт заключил, что эта масса примерно равна неспециализированной массе всех звезд. Из этого следовало, что галактический диск содержит некие несветящиеся объекты, каковые вносят пятидесятипроцентный вклад в его поле тяготения. Так появилась догадка о существовании в глубинах космоса массивной, но невидимой субстанции (вернее, невидимой для оптических телескопов, потому, что вторых в то время просто не существовало).

Эту субстанцию тогда чаще именовали скрытой массой, но со временем за ней прочно закрепилось общепринятое сейчас наименование «чёрная материя».

Строго говоря, Оорт не был стопроцентно уникален — о существовании невидимой космической материи догадывались и его преподаватель Якобус Каптейн, и Джинс (да и термин «чёрная материя» неуверено показался в астрономическом лексиконе еще в начале двадцатого века). Но как раз Оорт первым обосновал эту догадку посредством данных звездной статистики. В будущем она всецело подтвердилась, не смотря на то, что и не в интерпретации Оорта.

Он совершил последовательность технических неточностей в наблюдениях, которых тогда пришлось тяжело избежать. Для определения плотности звездного «газа» и траекторий перемещения его «частиц» следовало опираться на наблюдения одних и тех же светил, а Оорт этого не знал. Были и иные неточности, обычные для того времени. Большое количество позднее, уже в эру спутниковой астрономии, ученые доказали, что диск Млечного Пути не содержит либо практически не содержит чёрной материи.

Но не смотря на то, что в конкретном случае Оорт был неправ, интуиция его все же не подвела.

Масса динамическая

В первой половине 30-ых годов XX века второй блестящий астролог, Фриц Цвикки, приступил к наблюдениям широкого скопления галактик, которое в начале ХХ столетия открыл германский астролог Макс Вулф. Оно находится в 300 млн. световых лет от Млечного Пути и на земном небосводе лежит недалеко от созвездия Волосы Вероники (Coma Berenices), откуда и была названа — скопление Кома. Оно складывается из тысяч галактик, в основном эллипсовидных либо линзовидных. Спиральных галактик в том месте мало, и они сосредоточены у краев.

Это скопление находится вдалеке от центральной плоскости Млечного Пути, звезды, газ и космическая пыль не прячут его от земных телескопов, и для астрологов это воистину совершенный объект наблюдения.

Цвикки изучал изюминке перемещения шести сотен галактик скопления Кома. Для определения скорости этих галактик он применял доплеровское смещение спектральных линий, что в те времена было очень сложной задачей. Цвикки кроме этого отыскал хорошее использование известной из теоретической механики теореме вириала.

В соответствии с ей, полная кинетическая энергия стационарной совокупности, связанной силами тяготения (а галактическое скопление такой и есть), равна половине ее гравитационной потенциальной энергии, забранной с обратным знаком (перемена символа нужна, потому, что потенциальная энергия тяготения отрицательна). Из теоремы вириала направляться, что полная масса скопления примерно равна его радиусу, умноженному на среднее значение квадратов скоростей галактик и поделенному на гравитационную постоянную (скорости должны быть вычислены относительно центра инерции скопления). Посредством этих формул Цвикки «взвесил» скопление Кома (массу, вычисленную таким методом, именуют динамической либо вириальной).

И звездная

Полное количество энергии, излучаемой звездой за единицу времени, зависит от ее массы. Подобные зависимости, так именуемые отношения масса/светимость, были прекрасно известны и в 1930-х. Уже в 1920-х годах астрологи оценили количество звезд разных спектральных классов в отечественной Галактике и так очень совершенно верно вычислили их суммарную массу.

Посредством статистических способов возможно отыскать соотношения масса/светимость как для галактик, так и для галактических скоплений.

Занимаясь скоплением Кома, Цвикки столкнулся с неожиданностью — звездная масса кластера была практически в 50 раз меньше его вириальной массы! Само собой разумеется, расчеты были очень приблизительные, но расхождение все равно было через чур громадно, и чуть позднее Цвикки назвал источник излишней массы чёрной материей.

Спустя три года калифорнийский астролог Синклер Смит таким же образом обработал эти наблюдений ближайшего к нашей Галактике скопления Вирго, удаленного всего лишь на 60 млн. световых лет. Результаты оказались еще более впечатляющими — масса скопления, вычисленная на базе его светимости, составила только 1 процентов вириальной массы!

Но эти необычные результаты не привели к умов в опытной среде. Астрологи приняли их к сведению, назвали вириальным парадоксом, но от предстоящих изучений воздержались. Восторжествовало вывод, что неприятность скрытой массы провалится сквозь землю сама собой, в то время, когда покажутся более идеальные способы наблюдения галактик.

В середине 1950-х годов Виктор Амбарцумян «разрешил» эту проблему за один раз, объявив, что скопления Вирго и Кома будут в состоянии разлета, а потому теорема вириала к ним неприменима. Эта догадка сперва привела к немалому интересу, но достаточно не так долго осталось ждать скончалась естественной смертью.

С трех континентов

Через тридцать с лишним лет по окончании открытия Цвикки проблему чёрной материи извлекли на свет практически одновременно и независимо друг от друга ученые с трех континентов. Во второй половине шестидесятых годов прошлого века сотрудники Отдела земного магнетизма вашингтонского Университета Карнеги Вера Кент и Рубин Форд приступили к наблюдениям отечественного ближайшего соседа, спиральной галактики М31, более известной под именем туманности Андромеды.

В распоряжении ученых был созданный Фордом электроннооптический преобразователь, разрешающий регистрировать спектры весьма тусклых объектов. С его помощью были промерены газовых вращения облаков и скорости звёзд, отстоящих на разные расстояния от галактического центра. К этому времени динамика звездных скоплений была известна значительно лучше, нежели во времена Оорта, исходя из этого ученые заблаговременно верили врезультате.

Полной аналогии с перемещением Земли и других планет, конечно, ожидать не приходилось. Фактически вся масса Нашей системы сосредоточена в центре, и исходя из этого в соответствии с законами Кеплера и линейные и угловые скорости планет монотонно убывают по мере удаления от светила. Но туманность Андромеды, как и другие спиральные галактики, не имеет главной центральной массы.

Исходя из этого скорости вращательного перемещения звезд по мере удаления от центра сперва должны возрастать, достигая максимума, по окончании чего неспешно уменьшаться.

Как раз такую горбатую кривую и собирались взять Рубин с Фордом. Но вышло в противном случае: скорости звезд по мере удаления от центра сперва вправду возрастали, но после этого выходили на плато и падать вовсе не хотели. Озадаченные исследователи опубликовали собственные результаты в первой половине 70-ых годов XX века. «Мы с Фордом, само собой разумеется, знали о догадке чёрной материи, но, приступая к своим изучениям, о ней не думали и вовсе не планировали ее контролировать, — говорит «Популярной механике» Вера Рубин. — Исходя из этого термин ‘чёрная материя’ в отечественной первой публикации так и не показался».

Скоро Форд и Рубин переключились на другие проекты и только в середине 1970-х посредством улучшенной аппаратуры выяснили скорости вращения еще 60 галактик. Кеплеровского распределения скоростей нигде не наблюдалось, и все графики в какой-то степени напоминали кривую, взятую для туманности Андромеды. Эти сведенья убедительно подтверждали догадку Цвикки.

В 1990-х Вера Рубин за собственные изучения удостоилась высшей научной награды США, Национальной медали науки, и золотой медали Королевского астрономического общества Англии.

В один момент сходные результаты пришли и из вторых обсерваторий. Австралиец Кен Фриман также установил, что скорости вращения звезд и газа нескольких спиральных галактик не только не уменьшаются по мере удаления от центра, но кроме того время от времени пара возрастают.

Фриман пришел к этому выводу на основании анализа радиоастрономических наблюдений, другими словами совсем иным методом, нежели американские ученые; более того, он сходу высказал предположение, что в галактиках содержится много невидимой материи. Во второй половине 70-ых годов двадцатого века подобные, но еще более убедительные результаты опубликовал голландский радиоастроном Альберт Босма.

Галактическое гало

Теоретики также не спали. В первой половине 70-ых годов XX века американец Джеремия Острикер и канадец Джеймс Пиблс продемонстрировали, что плоские спиральные галактики, среди них и отечественный Млечный Путь, сами по себе обязаны деформироваться и разрушаться. Одновременно с этим из их расчетов следовало, что галактика делается стабильной, в случае если ее загрузить в сферическое облако массивной материи большое количество большего размера, чем диаметр галактики.

Такое облако, либо, как говорят астрологи, гало, своим тяготением удерживает в равновесии звезды и галактический газ и не дает галактике рассыпаться. Сходные идеи высказывали и другие ученые, а также эстонский астролог Ян кожный покров.

К началу 1980-х годов практически все астрологи поверили, что галактики окружены замечательными гало из невидимой материи (сперва это было доказано для спиральных и плоских галактикбез спиральной структуры, а после этого и для большинства эллиптических). Альтернативой могло быть только предположение, что ньютоновскому закону тяготения требуются поправки, но такая точка зрения фактически не имела приверженцев.

Позднее стало известно, что чёрные галактические гало не обязательно имеют шарообразную форму, они смогут быть существенно сплюснуты. Их часть в общем балансе галактической массы также непостоянна. Масса невидимого гало Млечного Пути, по всей видимости, раз в двадцать превышает массу его светящегося вещества. Но для других галактик отношение этих весов возможно пять к одному либо кроме того один к одному.

Выяснилось кроме этого, что не через чур броские эллиптические галактики, светимость которых образовывает порядка одной пятой светимости Млечного Пути, практически не содержат чёрной материи (из-за чего это так — до тех пор пока неясно).

За последние четверть века догадка скрытой массы взяла последовательность подтверждений. Потому, что чёрная материя своим притяжением отклоняет световые лучи, В первую очередь 1990-х годов ее ищут и находят посредством гравитационного линзирования. Еще одно подтверждение действительности ее существования было получено сравнительно не так давно посредством спектрального анализа космического реликтового излучения. Так что на данный момент уже никто не сомневается в том, что чёрная материя существует.

Но что она собой воображает — до тех пор пока неизвестно. О догадках, пробующих растолковать (но пока не растолковавших) физическую природу чёрной материи, просматривайте в следующем номере отечественного издания.

Тусклые тяжеловесы

Замечаемая нами Вселенная искажена: световые лучи от далеких галактик искривляются массивными объектами, среди них и скоплениями невидимой для телескопов чёрной материи

Ученые черпают данные о чёрной материи разными косвенными способами — прямого метода замечать ее пока не существует.

Но самое увлекательное в том, что большие спиральные галактики, в большинстве случаев, содержат меньше чёрной материи на единицу количества, нежели звездные скопления более скромных размеров, в особенности самые тусклые карликовые галактики. Плотность чёрной материи в таких галактиках может быть около одной солнечной массы на кубический парсек, что на два-три порядка больше, чем в громадных спиралях. «Четверть века назад эта мысль казалась совсем еретической, — вспоминает Вера Рубин. — Тогда наибольшие астрологи были уверены, что в случае если чёрная космическая материя и существует, то только в галактиках-гигантах».

Потому, что тусклые мини-галактики старше всех других, приходится признать, что чёрная материя присутствует в отечественной Вселенной с самого раннего детства последней. От тех далеких времен имели возможность сохраниться совсем маленькие галактики, которые содержат лишь остатки погасших звезд, газ, пыль и чёрную материю. Их обычные размеры должны составлять только много световых лет, а масса не превышает десяти миллионов солнечных.

Само собой разумеется, такие галактики нельзя разглядеть посредством оптических инструментов, но в принципе возможно заметить в радиотелескопы, каковые способны подметить облака холодного космического водорода, потому, что те поглощают радиоволны.

Такие галактики до тех пор пока еще не открыты, но, по всей видимости, это только вопрос времени. Более того, в 2005 году английские астрологи сказали о вероятном наблюдении аналогичной галактики.

Галактическая механика

Гравитационное сотрудничество между одними лишь видимыми объектами неимеетвозможности растолковать существующего распределения скоростей. Исходя из этого была введена догадка «чёрной материи»

Распределение массы во Вселенной возможно измерить только косвенно. Зная орбитальную скорость любой звезды в галактике, возможно оценить массу внутри ее галактической орбиты. Зная скорости вращения звезд, расположенных на разных расстояниях от центра галактики, возможно вычислить распределение массы.

В соответствии с третьему закону Кеплера, орбитальные скорости звезд по мере повышения расстояния от центра галактики падают. В действительности для вычисления распределения массы применяют не звезды, а карты распределения скоростей туч водорода, составленные посредством радиотелескопов, изучающих 21-см диапазон. Но вместо стандартного графика падения орбитальных скоростей по мере удаления от центра галактики отмечается возрастание этих скоростей и выход «на плато».

Это именно и говорит о том, что масса галактики возрастает по мере удаления от центра.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№55, май 2007).

Случайные записи:

• Отредактора
• 9 Вещей особаках, которые вымогли незнать

САМАЯ СТРАННАЯ ЗВЕЗДА В КОСМОСЕ

Похожие статьи, которые вам понравятся:

• 10 Самых странных галактических явлений

  Галактика Треугольник II — карликовая галактика рядом от Млечного Пути, которая состоит только из тысячи звёзд. Но она в полной мере способна удивлять —…

• Как найти темную материю

  Так выглядит детектор чёрной материи опыта LUX (Large Underground Xenon), установленный в пещере Дэвис Сэнфордской подземной лаборатории в штате Южная…

• Звездные струи помогли уточнить массу млечного пути

  Американские астрофизики сумели уточнить массу Млечного Пути, исследуя звездную струю, появившуюся в следствии приливного разрушения шарового звездного…

• Ученые нашли в космосе нефть

  Исследователи нашли нефтяное месторождение, которое содержит в 200 раза больше углеводородов, чем все количество воды на нашем планете. Но имеется одно…