Пульсирующая Вселенная - Николай Николаевич Горькавый

Вдобавок теоретики показали, что спиральные галактики без массивного гало были бы неустойчивы. В начале 1980-х годов я участвовал в многочисленных семинарах, где обсуждались устойчивости галактических дисков и модели генерации спиральных волн. Изложение таких моделей всегда начиналось с предположения массивного сферического гало вокруг плоской спиральной галактики (см., например: Поляченко В. Л., Фридман А. М. «Устойчивость гравитирующих систем». Наука, 1976).

Когда ученые убедились в справедливости результатов Цвикки, Рубин, Форда и других ученых, то начались интенсивные наблюдательные и теоретические исследования природы этой темной материи. Из чего она состоит? Как распределена в настоящее время? Как эволюционировала с момента Большого взрыва?

5.3. Поиски темной материи среди белых карликов и черных дыр

Отсутствие полной ясности в вопросе о скрытой массе, возможно, продолжится еще 5–10 лет.

Я. Б. Зельдович (1983)

Из чего сделана темная материя?..если она барионная, то может состоять из малозаметных коричневых карликов, маленьких звезд, которые никогда не станут горячими настолько, чтобы начались обычные ядерные реакции. Или из большой популяции необнаруженных белых карликов. Или из невероятного количества холодных планетоподобных объектов. Или из миниатюрных черных дыр. Или даже из огромных черных дыр — остатков ранней Вселенной.

Вера Рубин (1989)

Поиск темной материи начался с естественного предположения, что астрономы пропустили в космосе какие-то невидимые объекты — например, темные облака холодного газа или мелкие слабосветящиеся звезды вроде белых карликов с солнечной массой или коричневых карликов размером с Юпитер, но массой в десятки раз больше, чем у него. Важным открытием в этом направлении стало обнаружение межгалактических холодных облаков, состоящих из водорода и гелия, — они имеют температуру около нуля градусов в Кельвинах и очень прозрачны, поэтому свет звезд легко сквозь них проходит. Лишь спектральные линии, которые межгалактический водород выгрызает в звездных спектрах, выдают такие невидимые облака. Их масса в скоплениях галактик оказалась в десять раз больше, чем масса всех звезд. Но этого все равно было недостаточно, чтобы объяснить оценки Цвикки количества темной материи в скоплении галактик.

Может, темная материя состоит из крошечных — в несколько километров, но очень массивных объектов, таких как нейтронные звезды и черные дыры звездных масс? Астрономы разработали специальную наблюдательную программу для поиска белых, красных и коричневых карликов, нейтронных звезд и черных дыр, которую назвали MACHO (Massive Astrophysical Compact Halo Object). Совместными усилиями астрономов и космических телескопов в нашей Галактике было открыто огромное количество слабосветящихся звезд — они стали самой многочисленной звездной компонентой Млечного Пути. Но их массы тоже оказалось мало для нужного увеличения массы нашей Галактики. Гравитационное линзирование было самым подходящим методом для поиска черных дыр и нейтронных звезд. В проектах MACHO и EROS2 (Experience de Recherche d'Objets Sombre) телескопы наводились на локальные (до 100 квадратных градусов) участки неба в Магеллановых Облаках, чтобы поймать расщепление света их звезд на черных дырах (и других компактных объектах), двигающихся в гало Млечного Пути. Группа MACHO наблюдала в течение нескольких лет около 12 миллионов звезд Большого Магелланова Облака и к 2000 году нашла 13–17 случаев микролинзирования, сделав вывод, что невидимые тела солнечных масс могут отвечать за 20 % от массы темной материи. Группа EROS2, проанализировавшая 33 миллиона звезд, не подтвердила эти результаты и не нашла такого количества темных гравитирующих тел. Был сделан вывод, что черных дыр и нейтронных звезд недостаточно, чтобы объяснить феномен темной материи.

Это заключение было поддержано теоретиками, которые доказывали, что Большой взрыв не может породить столько барионов, чтобы из них можно было создать объекты MACHO в достаточном для объяснения темной материи количестве.

После этих весьма противоречивых наблюдений и теоретических возражений астрономы решили, что MACHO звездных масс слишком мало для объяснения загадки темной материи. Забегая вперед, отметим, что это было серьезной ошибкой.

В качестве альтернативы темной материи израильский физик Мордехай Милгром в 1983 году опубликовал гипотезу модифицированной ньютоновской динамики: Modified Newtonian Dynamics (MOND). Согласно этой гипотезе, ньютоновское притяжение для слабого гравитационного потенциала на краю галактик падает как 1/R — медленнее, чем зависимость в классической теории 1/R 2. То есть Милгром изменил закон гравитации, который действует в масштабах галактики и всей Вселенной. Это позволяло обойтись без темной материи, но цена такого решения была велика: отказ от проверенной и красивой теории Эйнштейна — Ньютона.

В теории MOND гравитационные силы оказываются привязанными к видимой материи. Противники MOND указывают на скопление галактик с названием «Пуля» как на доказательство реальности темной материи, отделяемой от видимой материи (илл. 5). Скопление Пуля представляет собой результат лобового столкновения двух скоплений галактик. Если посмотреть на изображение скопления Пуля в рентгеновском диапазоне, а потом наложить на него распределение реальной массы, полученное по гравитационному линзированию (см. илл. 5), то окажется, что газовая составляющая скоплений затормозилась при лобовом соударении. Облака темной материи, которые не могут взаимодействовать друг с другом через столкновения из-за малого размера составляющих их тел, продолжили движение и значительно оторвались от видимой материи. Пространственное разделение темных и светлых масс скоплений (см. также илл. 6) является весомым доказательством того, что темная материя представляет собой вещество:

• отдельное от видимой материи;

• более массивное;

• имеющее меньшее сечение рассеяния, чем обычное вещество.

Проблема поиска темной материи оказалась одной из труднейших в астрономии и космологии.

Глава 6. Волшебство квантовой космологии

После 1973 года жизнь физиков, специализирующихся на элементарных частицах, стала намного труднее по мере накопления свидетельств того, что их исследованиям угрожает опасность стать жертвой собственного успеха.

Питер Войт (2006)

Число специалистов, которые тем или иным образом вовлечены в занятия космологией, приближается к нескольким тысячам.

Михаил Сажин (2002)

Если инфляция права, все может возникать из ничего или, по крайней мере, из очень малого. Если инфляция права, Вселенная может быть названа, в конечном счете, бесплатным обедом.

Алан Гус (2002)

Космология до 1980-х годов развивалась по стандартному научному сценарию: физики, опираясь на фундамент общей теории относительности, хорошо подтвержденной экспериментами, строили «дом», то есть модель Вселенной. Но трудности в построении такой модели казались многим ученым непреодолимыми: никак не находился механизм Большого взрыва, не решались проблемы сингулярности и темной материи. И тогда появились смелые люди, которые решили строить дом не с фундамента, а с крыши. Они сделали набор предположений ad hoc, что на латыни означает «специально для этого», «по особому случаю» —