Астрономический сайт

Загадки земли и вселенной

Что такое скрытая масса

Галактики
Существующие во Вселенной тела и другие скопления вещества астрономы обнаруживают в основном по их излучению. Это может быть видимый свет или другие виды электромагнитных волн – всё равно имеются приёмники излучения, позволяющие их регистрировать. Именно таким способом было установлено, что большая часть видимого вещества Вселенной сосредоточена в звёздах. Кроме них имеются разреженный межзвёздный галактический газ, пыль, тела планетного типа вблизи звёзд. Однако не от всех космических объектов можно принять излучение. Например, с Земли нельзя рассмотреть массивные, но очень маленькие компоненты двойных систем (см статью «Звёздные пары»). А чёрные дыры принципиально не отпускают от себя никакое излучение. Наличие подобных тел удается установить только по их гравитационному воздействию на соседей. Применение такого косвенного метода привело учёных к убеждению, что на самом деле во Вселенной содержится гораздо больше вещества, чем-то, которое доступно прямым наблюдениям. Невидимое вещество, проявляющее себя по взаимодействию с видимым посредством сил тяготения, назвали скрытой массой.

Впервые о скрытой массе заговорили в 30-х гг. XX 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 учетом 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 котром 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 ее ближайшие соседи.) В середине 80-x гг. по результатам очень успешной миссии космической инфракрасной обсерватории ИРАС (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 всемирного тяготения большая масса должна притягивать окружающие галактики и группы галактик. Но вот измеренная скорость движения оказалась слишком высокой (более 600 км/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 «картографировать» её распределение в скоплениях галактик. Речь идет о методе так называемого гравитационного линзирования, идею впервые выдвинул Цвикки ещё в 1937 г. Метод основан на том, что гравитация скопления галактик «работает» как собирающая линза. Она позволяет получить изображения слабых галактик (как правило. 25 – 28-й звёздной величины), находящихся далеко за самим скоплением. При этом изображения 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.

Сегодня мы можем достаточно уверенно заключить: Вселенная в основном заполнена невидимым веществом. Оно образует протяжённые гало галактик и заполняет межгалактическое пространство, концентрируясь к скоплениям галактик.

Какова же природа невидимого вещества? Этот вопрос ещё далёк от разрешения. Возможно, скрытая масса создаётся 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 теоретически 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 лёгких элементарных частицах (с массой в миллионы раз меньше массы покоя электрона), существование которых следует из современной физической теории элементарных частиц. Поиски таких частиц усиленно ведутся на самых мощных ускорителях, но пока не увенчались успехом.

Однако часть скрытой массы может заключаться в телах, состоящих из обычных атомов. Наблюдая светящееся вещество, можно сделать вывод, что звёзды, содержащие основную долю 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 массами звёзд и небольших планет (их называют тёмными карликами, или «юпитерами»). Теоретически такими объектами могут быть и «комки» вещества массой порядка 10-8 масс Солнца, и даже чёрные дыры массой около 100 солнечных. Возможно, что эти невидимые объекты – «строительный мусор», оставшийся 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 (см. статью «Гравитационные линзы»).

Исследуя эффекты гравитационного микролинзиронання 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.

Итак, попытки разобраться, из чего же состоит Вселенная, привели в наше время к весьма любопытной ситуации. На пороге XXI 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.



Страниц : 1