Что такое скрытая масса?
24.08.2000 9:12 | К. А. Постнов/ГАИШ, Москва
Скрытой массой (или иначе, темной материей) называют вещество неизвестной природы, которое взаимодейтсвует с обычным (видимым) веществом практически только посредством сил притяжения. Из астрономических наблюдений мы знаем, что основная доля обычного вещества во Вселенной сосредоточена в звездах, которые наблюдаются по их излучению. Небольшая часть вещества существует в виде разреженного межзвездного галактического газа и пыли.
Однако как выяснилось, скрытого вещества по массе во много раз больше, чем обычного. Это настоящий вызов человеческому знанию: на пороге XXI века мы даже не представляем, из чего состоит вещество, в основном заполняющее Вселенную!
Как же возникла идея о невидимом для нас веществе? Впервые о скрытой массе заговорили в 30-х годах ХХ века, когда швейцарский астроном Цвикки, измеряя по красному смещению скорости вдоль луча зрения для галактик из скопления в созвездии Волосы Вероники, обнаружил, что скорости движения галактик в этом скоплении (за вычетом космологического красного смещения скопления как целого) соответствуют массе скопления, которая в десятки раз превышала массу, определенную по соотношению масса-светимость (то есть по видимому веществу). Цвикки выдвинул смелую гипотезу, что в этом скоплении галактик присутствует невидимая, скрытая масса, которая проявляется по большим скоростям движения галактик.
С тех пор гипотеза о существовании невидимого вещества привлекается для объяснения целого ряда астрономических наблюдений. Во-первых, скрытая масса требуется для объяснения вращения звезд по орбитам в дисках спиральных галактик. Если бы вся масса была сосредоточена в наблюдаенмых звездах, орбитальные скорости звезд во внешних частях галактик уменьшались бы с удалением от центра к краю. Однако это не так: как показывают оптические и радионаблюдения, в большинстве случаев скорости вращения звезд диска и газа вокруг центра галактик почти не зависят от расстояния до центра и более того, иногда даже возрастают. То же самое явление наблюдается и в нашей Галактике. Для объяснения такого поведения движения звезд приходится предполагать присутствие несветящейся, темной материи, которая простирается в десятки раз дальше видимой границы галактик (так называемое темное гало галактик). Как правило, масса темного гало в десятки раз больше массы всех видимых звезд в галактике. Типичная масса гигантских спиральных галактик типа Млечного Пути оказывается равной 1012} масс Солнца, тогда как вещества в звездах раз в десять меньше.
В 70-х гг. с наступлением эры внеатмосферной рентгеновской астрономии был обнаружен горячий межгалактический газ, особенно заметный в скоплениях галактик. Его температура оказалась порядка нескольких миллионов градусов. Температура этого газа чувствительна к гравитационному потенциалу, в которм находится газ, а следовательно, к полной массе вещества, являющегося источником этого потенциала. Уже первые результаты рентгеновских наблюдений горячего газа в скоплениях галактик независимо подтвердили присутствие скрытой массы в исследуемых скоплениях.
Еще одно прямое указание на скрытую массу было получено при изучении движения местной группы галактик в пространстве. Скорость движения местной группы как целого была измерена по эффекту Доплера относительно реликтового микроволнового излучения Вселенной и оказалась около 630 км/с. В середине 80-х годов, после очень успешной миссии космической ИК-обсерватории ИРАС, стало ясно, что скорость движения местной группы в пространстве направлена в сторону относительного "избытка" числа галактик (как и ожидалось, ведь по закону всемирного тяготения большой избыток массы будет притягивать движение окружающих галактик и групп галактик). При этом измеренная скорость движения свидетельствовала также о присутствии скрытой массы!
Наконец, новейшие (1990) наблюдения слабых галактик с помощью чувствительных ПЗС-матриц позволили не просто подтвердить наличие скрытой массы в скоплениях галактик, но и "картографировать" ее распределение в скоплениях. Речь идет о методе так называемого гравитационного линзирования фоновых галактик скоплением. В данном случае гравитация скопления "работает" в качестве собирающей линзы для изображений слабых голубых галактик (как правило, 25-28 звездной величины), находящихся далеко за самим скоплением. При этом изображения далеких галактик искажаются, "вытягиваясь" в дуги разной длины с центром, совпадающим с центром скопления. Интересно отметить, что впервые идею гравитационного линзирования скоплениями галактик далеких фоновых объектов выдвинул тот же Цвикки в 1937 г. Анализируя изображения слабых галактик за скоплением, можно восстановить распределение плотности в "линзе", т.е. в скоплении галактик. Оказалось, что создающая тяготение материя простирается далеко за пределы видимой границы скопления. Тем самым было получено еще одно независимое измерение скрытой массы в скоплениях галактик.
Описанные (а также некоторые другие) наблюдения убедительно показывают, что Вселенная в основном заполнена невидимым веществом неизвестной природы, которое проявлятся только по гравитационному взаимодействию. Это вещество образует протяженные гало галактик и заполняет пространство между галактиками, концентрируясь к скоплениям галактик.
Что можно сказать относительно природы этого вещества? Этот вопрос так далек от своего решения, что не ясно даже, создана ли скрытая масса некоторыми пока не наблюдавшимися элементарными частицами, или состоит из протяженных массивных объектов. К последним могут относиться "комки" вещества с массой 10-8 масс Солнца, невидимые планеты типа Юпитера с массами около одной тысячной масс Солнца, или даже черные дыры с массой в 100 солнечных. Эти невидимые объекты могут быть или "строительным мусором", оставшимся от эпохи образования галактик, или остатками эволюции звезд, существовавших до момента образования галактик.
Следует отметить, что в настоящее время проблема скрытой массы далеко вышла за рамки наблюдательной астрономии. Дело в том, что согласно современной теории горячей Вселенной, максимально допустимая плотность барионов (протонов и нейтронов), составляющих основную массу видимого вещества и образовавшихся на ранних стадиях эволюции Вселенной, составляет никак не более 10% от плотности, при которой Вселенная становится замкнутой (так называемая критическая плотность). Согласно современным представлениям, полная плотность вещества во Вселенной должна не сильно отличаться от критической -- значит требуется предположить либо существование дополнительной, небарионной массы, либо считать, что пустое пространство (вакуум) само дает вклад в полную плотность (так называемая космологическая постоянная), либо есть и то и другое. Такая небарионная скрытая масса могла бы состоять из частиц с небольшой массой покоя (в миллионы раз меньшей массы покоя электрона), существование которых следует из современной теории элементарных частиц. Поиски таких частиц усиленно ведутся на самых мощных ускорителях, но пока не увенчались успехом.
Добавим, однако, что из наблюдений светящегося вещества получается, что мы видим всего лишь ничтожную десятую или сотую долю даже барионного вещества, то есть во Вселенной есть скрытые объекты барионной природы типа темных карликов или юпитеров, о которых мы уже упомянули выше.
Новейшие наблюдения гравитационного микролинзирования миллионов звезд в Магеллановых Облаках уже обнаружили несколько событий, котрорые могут быть связаны с темными объектами в гало нашей Галактики, однако пока трудно окончательно оценить вкалд этих объектов в массу невидимого вещества. Изучая эффекты гравитационного микролинзирования, чувствительного к обнаружению невидимых гравитирующих объектов с массами от 10-8 до 103 масс Солнца, ученые надеются пролить новый свет на увлекательную и загадочную проблему скрытой массы в нашей Галактике и во Вселенной.
К.А.Постнов
|
Публикации с ключевыми словами:
гравитационная линза - бурый карлик - энергия вакуума - лямбда-член - Космология - средняя плотность Вселенной - небарионная материя - Скрытая масса - темная материя
Публикации со словами: гравитационная линза - бурый карлик - энергия вакуума - лямбда-член - Космология - средняя плотность Вселенной - небарионная материя - Скрытая масса - темная материя | |
См. также:
Все публикации на ту же тему >> | |
Мнения читателей [3]