Проблема ротации
На первый взгляд Млечный Путь выглядит как гигантская солнечная система. В ее центре находится огромная масса вещества и энергии, а вокруг вращаются более мелкие объекты. Но при ближайшем рассмотрении оказывается, что спиральные галактики фундаментально отличаются от планетарных систем.
Каждая последующая планета по мере удаления от Солнца движется медленнее, чем предыдущая, и ей требуется больше времени для совершения одного оборота вокруг своей звезды. Меркурию для этого необходимо всего восемьдесят восемь дней, у Нептуна же это занимает 165 лет. Отсюда можно было бы ожидать, что орбитальные скорости звезд также станут падать по мере удаления от центра Галактики. Но этого в случае с Млечным Путем не происходит.
Первые сообщения о том, что у Млечного Пути существуют такого рода проблемы вращения, поступили уже в 1930-х годах. Ян Оорт – голландский астроном, давший свое имя облаку Оорта, – наблюдал за звездами, расположенными вблизи окраин Галактики, и занимался измерением их скорости. Он обнаружил, что они движутся слишком быстро. При скоростях, с которыми они перемещались, они должны были преодолеть силу гравитации Млечного Пути и затеряться где-то в межгалактическом пространстве. Тот факт, что им это не удалось, заставил его предположить, что гравитация Галактики должна быть значительно мощнее, чем предполагалось ранее.
Работы Оорта были почти забыты, и о них не вспоминали вплоть до конца 1960-х годов, когда эстафетную палочку перехватила американский астроном Вера Рубин. На протяжении следующих десяти лет она наблюдала за вращением сотен других спиральных галактик и обнаружила тот же феномен. Выяснилось, что звезды на границах спиральных галактик вращаются так же быстро, как и те, что находятся вблизи балджа. Рубин скончалась на Рождество в 2016 году, когда многие высказывали предположения о том, что она могла бы получить Нобелевскую премию за свои работы (премии не присуждаются посмертно).
Темная материя
Наиболее распространенным объяснением проблемы вращения является то, что существует некая дополнительная, незримая масса, скрывающаяся по всей Галактике таким образом, что мы не можем ее видеть. Эта темная материя обеспечивает дополнительную гравитацию, необходимую для удержания на орбите быстро перемещающихся звезд. Действительно, Оорт еще в 1930-х годах предполагал, что эта скрытая масса превышает видимый материал в соотношении три к одному.
Первоначальная идея, объясняющая этот феномен, состояла в том, что в Галактике содержится большое количество массивных астрофизических компактных объектов гало (МАКОГ). Астрономам нравятся их аббревиатуры. В сущности, МАКОГ – это тривиальные космические объекты наподобие черных дыр и нейтронных звезд, физически настолько малые, что их трудно увидеть, и настолько тяжелые, что они все вместе способны компенсировать недостающую гравитацию.
Однако сегодня мы можем измерить дефицит массы намного точнее, чем во времена Оорта. То, что мы можем наблюдать, составляет лишь 10–12 процентов от всей массы Млечного пути. Такой разрыв слишком велик для того, чтобы МАКОГ могли его восполнить за счет собственных ресурсов. Время от времени мы можем зафиксировать МАКОГ, если они проходят на фоне далекой звезды и увеличивают свое свечение в результате гравитационного микролинзирования. Мы еще не наблюдали достаточное количество таких событий, чтобы сделать вывод о том, что популяций МАКОГ хотя в бы в какой-то мере достаточно для решения проблемы ротации.
В настоящее время астрономы придерживаются мнения, что темная материя может выступать в форме слабо взаимодействующих массивных частиц (СВМЧ). Слабо взаимодействующих – потому что они не взаимодействуют со светом (поэтому мы их не видим). Массивных – потому что они должны восполнить значительный дефицит гравитации. В отличие от МАКОГ, СВМЧ – это то, с чем мы никогда до этого не сталкивались. Они представляют собой совершенно новый тип материи, о которой только мечтали физики, исследующие элементарные частицы, чтобы объяснить вращение галактик.
Все, что мы видим вокруг себя, состоит из частиц, включенных в Стандартную модель – стандартный реестр, напоминающий кулинарную книгу для Вселенной, которую на протяжении многих десятилетий регулярно пополняли физики, исследующие элементарные частицы. Кроме того, никакое другое вещество в Стандартной модели не ведет себя так, как темная материя. Однако физики работали над дополнением к Стандартной модели, которое получило название суперсимметрии (мы уже встречались с ней, когда рассматривали теорию суперструн на странице 225). Согласно этой суперсимметрии, у каждой частицы из Стандартной модели имеется зеркальная частица. СВМЧ, возможно, являются наилегчайшими из этих суперсимметричных частиц – нейтралино.
Поиски СВМЧ
В заброшенной шахте на золотых приисках, на глубине 1,5 километра под Южной Дакотой, располагается резервуар с жидким ксеноном, прикрытый слоем из 70 тысяч галлонов воды. А в это время в Антарктиде демонстрируют готовность к работе внедренные глубоко под лед приборы для обнаружения. На Большом андронном коллайдере в Швейцарии сталкиваются друг с другом элементарные частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света. А над Землей каждые девяносто две минуты вращается по своей орбите экспериментальная станция AMS-02, привязанная к Международной космической станции (МКС). С помощью всех этих инструментов физики ведут поиски самого разыскиваемого объекта во Вселенной: СВМЧ. Если темная материя действительно является артефактом суперсимметрии, тогда физикам в ЦЕРНе, занимающимся исследованием элементарных частиц, необходимо найти доказательства того, что суперсимметрия – нечто большее, чем просто красивая теория, существующая только на бумаге.
Если СВМЧ на самом деле существуют, тогда они должны ударяться о ваше тело ежеминутно. Однако зафиксировать их, с учетом того, что вокруг вас вращается так много всего другого, – цель настолько же благая, насколько и невозможная. Итак, в шахте в Южной Дакоте аппаратура Большого подземного ксенонового (БПК) эксперимента прикрыта твердой породой и слоем воды. Эксперимент задуман с тем, чтобы уловить вспышки света, излучаемые потоком СВМЧ, из-за столкновений с ксеноном.
Приборы для обнаружения в эксперименте «Кубик льда», проводимого на Южном полюсе, таким же образом защищены замерзшей тундрой. Они пытаются уловить косвенные свидетельства существования СВМЧ. Если в Галактике имеется темная материя, тогда Солнце силой своей гравитации должно привлекать к себе некоторое ее количество по мере своего передвижения по Млечному Пути. Это означает, что СВМЧ заканчивают свою жизнь, сталкиваясь друг с другом глубоко внутри звезды. Согласно вычислениям, это привело бы к образованию высокоэнергетичных нейтрино, которые могли бы выбрасываться из Солнца – поиски именно этих частиц и являются задачей научного проекта под названием «Кубик льда».
И наконец, магнитный альфа-спектрометр (МАС‐02), на МКС, направлен в сторону перенасыщенного космическими объектами балджа Млечного Пути. Учитывая, что в этой области темная материя упакована более плотно, столкновения СВМЧ должны быть здесь обычным явлением. Предполагается, что эти события приводят к созданию каскада частиц, называемых позитронами (антивещество, эквивалентное электронам). Обнаружить излишки позитронов вблизи центра Галактики все равно что найти дымящийся пистолет. И что удивительно, взрыв позитронов все же был обнаружен. Однако даже это открытие не позволяет астрономам исключить возможность существования менее экзотических объяснений.
Космические аппараты, запущенные в рамках эксперимента МАС-02, вращающиеся по орбите на МКС, занимаются поисками резкого увеличения количества позитронов, вызванного столкновениями темной материи в недрах Млечного Пути
Снимок 1998–1999 годов аналеммы, изображенной на стекле витрины офиса Лабораторий Белла, Мюррей Хилл, Нью Джерси; статья Дж. Фисберна в Английской «Википедии».
Очевидно, что физики делали все возможное для того, чтобы уловить СВМЧ. Но результаты пока остаются весьма скромными. Эта концепция продолжает оставаться лучшей из всех существующих на данный момент, но если в ближайшее время астрономам не удастся фактически обнаружить эти частицы, им не останется ничего другого, как вернуться к своим планшетам. Сторонники другой идеи, совершенно отличной от этой, – МОНД – уже предчувствуют запах крови и готовятся к атаке.
Модифицированная ньютоновская динамика (МОНД)
Для того чтобы объяснить, почему наблюдаемой в галактиках гравитации недостаточно для наблюдаемой скорости движения их звезд, нам необходима темная материя. Поэтому мы придумали невидимую субстанцию, чтобы восполнить этот недостаток.
Но что, если мы в действительности неправильно понимаем смысл гравитации? Что, если нам кажется, что гравитации недостаточно, лишь потому, что мы в действительности не понимаем, как работают эти силы в масштабах больших галактик? Это ровно то, что утверждают сторонники модифицированной ньютоновской динамики (МОНД). Концепция МОНД утверждает, что гравитация не является универсальным законом, открытым Ньютоном: в случае ее применения к большим масштабам она требует соответствующей модификации. Эта идея была впервые выдвинута в 1983 году израильским физиком Мордехаем Милгромом.
ГАЛАКТИЧЕСКОЕ ГАЛО
Спиральная галактика может выглядеть плоской, но это касается лишь видимой ее части. Вероятно, что Млечный Путь погружен в обширное гало темного вещества. Это гало имеет форму большого раздавленного надувного мяча, у которого снизу и сверху диска темной материи больше, чем по его сторонам.Астрономы составили его карту путем отслеживания карликовых галактик, совершающих орбитальное вращение вокруг Млечного Пути. У нашей Галактики около пятидесяти таких небольших спутников, каждый из которых имеет меньше звезд, чем другие галактики, подобные Млечному Пути. Точно так же, как мы используем движущиеся по орбите звезды для установления веса сверхмассивной черной дыры Стрельца А, вес Млечного Пути мы измеряем с помощью карликовых галактик-спутников.Галактическое гало также является местом нахождения множества шарообразных скоплений. Эти плотные группы древних звезд, если смотреть в телескоп или через бинокль, представляют собой в высшей степени эффектное зрелище.До 40 % шарообразных скоплений Млечного Пути вращаются ретроградно – в противоположном направлении по отношению к звездам, находящимся на диске. Так же, как и в случае с ретроградными спутниками нашей Солнечной системы, это, вероятнее всего, означает, что они являются захваченными объектами.
Ускорение движения типичной звезды вокруг спиральной галактики в 10 миллиардов раз меньше, чем ускорение вымышленного ньютоновского яблока при его падении на землю. По утверждению Милгрома, при таком незначительном ускорении нам следует видоизменять уравнения Ньютона. Теоретики МОНД утверждают, что объекты, находящиеся в слабых гравитационных средах, испытывают несколько большее тяготение, чем мы могли бы ожидать в норме.
Чтобы та или иная научная теория воспринималась всерьез, она должна выдвигать проверяемые предположения. Проповедники МОНД воспользовались ее модифицированными уравнениями для того, чтобы предсказать орбиты семнадцати карликовых галактик, вращающихся вокруг Андромеды (ближайшей к Млечному пути большой галактики). И они попали точно в цель.
СКОПЛЕНИЕ ПУЛЯ
Расположенное на расстоянии около 4 миллиардов световых лет от Земли, скопление Пуля на самом деле представляет собой два скопления галактик, находящихся в процессе столкновения. Астрономы установили, по какой схеме происходит распространение горячих газов в процессе слияния. Они также воспользовались тем фактом, что скопления приводят к отклонению света, идущего от далеких объектов, – гравитационное микролинзирование – для того, чтобы установить характер распределения масс внутри них.Здесь происходит четкое разделение между горячим газом и большей частью остальной массы. По этой причине большая часть массы должна оставаться невидимой. Многие считают это является явным признаком присутствия темной материи и неопровержимым аргументом против МОНД. Но в последние годы защитники концепции МОНД выступили с новыми доводами, объясняющими и это несоответствие.Критики темной материи также указывают на скорость, с которой столкнулись скопления, – 3 тысячи километров в секунду. Такие высокие скорости не фигурировали в более ранних компьютерных моделях темной материи. Но в настоящее время модели были соответствующим образом отрегулированы. Таким образом, скопление Пуля остается огромным камнем преткновения.
Между тем, МОНД продолжает оставаться маргинальной теорией. Большинство астрономов и космологов отдают предпочтение идее темной материи. Это в большой степени связано с тем, что темная материя, являющаяся физической сущностью, позволяет объяснить, как структура образовалась на ранней стадии развития Вселенной. Гравитационное притяжение темной материи способствовало скоплению обычной материи с превращением ее в звезды и Галактики в расширяющейся после Большого взрыва вселенной.
Это также объясняет, почему Андромеда и Млечный Путь в настоящее время придерживаются курса, ведущего к их столкновению. Для того чтобы расширение Вселенной было преодолено и они начали двигаться в направлении друг к другу, необходимо, чтобы между ними существовало гравитационное притяжение, эквивалентное количеству вещества в галактиках в восемьдесят раз большему, чем все звезды, которые мы можем наблюдать.
Назад: Млечный путь
Дальше: Формула Дрейка
