Современная космология и проблема скрытой массы во Вселенной

Страница 5

Впервые о скрытой массе заговорили в ­30-х гг. ХХ в. Швейцарский астроном Фриц Цвикки, измеряя по красному смещению скорости галак­тик из скопления в созвездии Воло­сы Вероники, получил неожиданный результат. Лучевые скорости этих га­лактик оказались слишком высокими и не соответствовали общей массе скопления, определённой по числу наблюдаемых галактик (т. е. по види­мому веществу). Тогда Цвикки выдви­нул смелую гипотезу, что в скопле­нии присутствует невидимая, скрытая масса, она-то и является причиной больших скоростей галактик. Но са­мым удивительным было то, что, со­гласно расчётам, эта невидимая масса во много раз превышала массу види­мую. Та же картина наблюдалась и во многих других скоплениях галактик

С тех пор гипотеза о существова­нии невидимого вещества неодно­кратно привлекалась для интерпрета­ции астрономических наблюдений, и прежде всего, для объяснения особен­ностей движения звёзд и газовых об­лаков по орбитам в дисках галактик. Если бы основная масса галактики была сосредоточена в звёздах, их орбитальные скорости уменьшались бы по мере удаления от центра. В дей­ствительности они не только не уменьшаются, но в ряде случаев даже возрастают. То же самое происходит и в нашей Галактике. Чтобы объяснить это явление, нужно предположить, что далеко за пределами видимых границ галактики простирается несве­тящаяся, тёмная материя. Обычно её называют темным гало. С его учётом масса гигантских спиральных сис­тем типа Млечного Пути оказывает­ся равной примерно 1012 массам Солнца, тогда как вещества, заклю­чённого в звёздах, в несколько раз меньше.

В 70-х гг. методами рентгенов­ской астрономии был открыт горя­чий межгалактический газ, особенно заметный в скоплениях галактик. Его температура достигает десятков мил­лионов градусов. По значению тем­пературы можно оценить характе­ристики гравитационного поля, в котором находится газ, а следовательно, и полную массу вещества, являю­щегося источником этого поля. Уже первые результаты рентгеновских наблюдений горячего газа в скопле­ниях галактик подтвердили присутствие в них скрытой массы, не входя­щей в состав отдельных галактик.

Ещё одно прямое указание на скрытую массу удалось получить при изучении движения Местной группы галактик. (В Местную группу входят наша Галактика и её ближайшие сосе­ди.) В середине 80-х гг. по результатам очень успешной миссии космиче­ской инфракрасной обсерватории HPAC (IRAS) было установлено, что движение Местной группы в про­странстве направлено в ту сторону, где сосредоточено большое количество галактик. В этом нет ничего удиви­тельного, ведь по закону тяготения большая масса должна притягивать окружающие группы галактик. Но измеренная скорость движения оказалась слишком высокой (более 600км/с), чтобы её можно было объяснить гравитационным действием наблюдаемых галактик. Это свидетельствовало о присутствии скрытой массы между галактиками.

Наконец, наблюдения слабых галактик, проведённые с помощью чувствительных детекторов излучения – ПЗС-матриц, — позволили не просто подтвердить наличие скрытой массы, но и достаточно точно обозначить ее распределение в скоплениях галактик. Этот метод называют гравитационным линзированием, идею которого впервые выдвинул Цвикки еще в 1937 г. Метод этот основан на том, что гравитация скопления галактик действует как собирающая линза. Она позволяет получить изображение слабых галактик (как правило, 22-28 звездной величины), находящихся далеко за самим скоплением. При этом изображения самих галактик становятся ярче и искажаются, вытягиваясь в дуги разной длины с центром, совпадающим с центром скопления. Анализируя такие изображения, можно восстановить распределение плотности в «линзе», т. е. в скоплении галактик. Оказалось, что создающая тяготение материя простирается далеко за пределы видимой части скопления.

Существование скрытой массы кардинально меняет оценку общей усредненной плотности всех масс Вселенной. Возможно, есть скрытая масса и между скоплениями галактик. Ее обнаруживать особенно трудно. Но если это так, то не исключено, что полная средняя плотность равна критической плотности или даже несколько больше. Таким образом, пока нельзя сказать, больше ли истин­ная плотность всех видов вещества во Вселенной, чем критическая плотность, или нет. Значит, мы пока не мо­жем сказать определенно, будет ли Вселенная расши­ряться неограниченно или же в будущем она начнет сжиматься.

Что представляет собой скрытая масса? Надо прямо сказать, что физическая природа скрытой массы пока не­ясна. Частично эта масса может быть обусловлена ог­ромным числом слабо светящихся и поэтому практически невидимых издали звезд или других несветящихся не­бесных тел. Однако вероятнее, что скрытая масса явля­ется своеобразным реликтом тех физических процессов, которые протекали в первые мгновения расширения Все­ленной. Скрытая масса, возможно, является совокуп­ностью большого числа элементарных частиц, обладаю­щих массой покоя и слабовзаимодействующих с обыч­ным веществом. Теория предсказывает возможность существования таких частиц. Ими могут быть, например, нейтрино, если они обладают массой покоя.

Какова же природа невидимого вещества? Возможно, скрытая масса создается не открытыми пока элементарными частицами. Дело в том что, согласно современной теории горячей Вселенной, максимально возможная масса барионов (протонов и нейтронов — частиц, из которых состоят атомные ядра всех химических элементов) не превышает 10% от массы, необходимой для критической плотности, т. е. той плотности, какой теоритически должна обладать Вселенная. Поэтому остаётся либо предположить, что во Вселенной помимо обычной барионной (атомной) мас­сы содержится ещё очень много вещества, не состоящего из атомов, либо считать, что пустое пространство (вакуум) обладает такими свойствами, что вносит свой вклад в полную плотность материи. В принципе небарионная скрытая масса может быть заключена в легких элементарных частицах (с массой в миллионы раз меньше массы покоя электрона), существование которых следует их современной физической теории элементарных частиц. Поиски таких частиц усиленно ведутся на самых мощных ускорителях, но пока не увенчались успехом.

Однако, часть скрытой массы возможно заключается в телах, состоящих из обычных атомов. Наблюдая светящееся вещество, можно сделать вывод, что звезды, содержащие основную часть видимой материи, - это лишь небольшая часть даже от барионного вещества. Значит во Вселенной наверняка много невидимых и не открытых пока объектов барионной природы, скорее всего газовых тел с массой, промежуточной между массой звезд и небольших планет (их называют «темными» карликами). Теоретически такими объектами могут быть черные дыры массой около ста солнечных. Возможно, что эти невидимые объекты — часть вещества, оставшаяся от эпохи образования галактик, или остатки эволюции звёзд, существовавших ещё до рож­дения галактик. Хотя таких тёмных тел вряд ли хватит для объяснения парадокса скрытой массы, их поис­ки активно проводятся. Перспектив­ными в этом отношении являются работы по гравитационному микро­линзированию.

Исследуя эффекты гравитацион­ного микролинзирования миллионов звёзд в Магеллановых Облаках, астро­номы зарегистрировали несколько случаев характерного изменения яр­кости далёких слабых звёзд. Это мо­жет быть связано с существованием тёмных объектов в гало нашей Галак­тики. Однако из наблюдений пока трудно окончательно определить, ка­кую часть массы невидимого вещест­ва они составляют.

9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Космология быстро развивается. Много новых работ в этой области появляется в открытой печати в последние годы. Но рассказать обо всех невозможно, каждая из них – тема для отдельной работы.

Сегодня можно достаточно уверенно заключить: Вселенная в основном заполнена невидимым веществом. Оно образует протяженные гало галактик и заполняет межгалактическое пространство, концентрируясь в скоплениях галактик.

Итак, попытки разобраться, из чего же состоит Вселенная, привели в наше время к весьма любопытной ситуации. В начале ХХI столетия обнаружива­ется, что все изучавшиеся до сих пор астрономические объекты составляют лишь незначительную долю космиче­ского вещества. Это настоящий вызов человеческому знанию. Остаётся на­деяться, что новейшие методы астро­номии, такие, как метод гравитацион­ного микролинзирования, позволят в будущем пролить свет на увлекатель­ную и загадочную проблему невиди­мого вещества в нашей Галактике и во Вселенной.