Темная материя

Начнем с небольшого курса орбитальной механики. В космосе почти всё движется по орбитам. Планеты вокруг звёзд, звёзды вокруг центра своей галактики, галактики вокруг центров своих скоплений.

Чем ближе ты к объекту, на чьей орбите находишься, тем выше твоя скорость. Например, Международная Космическая Станция находится в четырехстах километрах от Земли и движется со скоростью 7.5 километров в секунду. На геостационарной орбите, 35 тысяч километров от Земли, спутники движутся со скоростью 3 км/с. Луна, в трёхстах тысячах километров, движется со скоростью 1 км/с.

Если выстроить в одну линию спутники на разных высотах, они тут же разойдутся из-за разных скоростей, вот так.

Так к чему это я. Разность скоростей на разных орбитах считалась непреложной, неизменной истинной до 1933 года. Тогда Фриц Цвики изучал движение галактик в скоплении Волосы Вероники.

В таких огромных скоплениях множество галактик вращаются вокруг общего центра масс.

Как для Земли, зная ее массу, можно вычислить скорость движения по ее орбите на любой высоте, так это можно сделать и для скопления галактик. Оказалось, что измеренная скорость гораздо выше расчётной. Двигаться по одной и той же орбите можно быстрее только если то, вокруг чего ты обращаешься, весит больше. На низкой околоземной орбите скорость движения будет, как я уже говорил, 7.5 км/с. На низкой окололунной орбите – всего лишь 1.7 км/с, потому что Луна весит почти в сто раз меньше Земли. Юпитер же весит в триста раз больше, и для низкой орбиты вокруг него понадобится 43 км/с.

Значит, единственным логичным выводом было предположение, что скопление галактик гораздо массивнее, нем кажется.

Сорок лет спустя Вера Рубин измерила скорость вращения не самих галактик, а звёзд в них, движущихся вокруг центра наблюдаемой галактики.

Тут все оказалось ещё страннее. Галактики в скоплении Волос Вероники просто двигались гораздо быстрее, чем нужно. Звёзды в галактиках, оказалось, не просто двигаются с большей скоростью, угловая скорость большей части звёзд оказалась почти одинаковой!

Если говорить проще, звёзды не разлетались во все стороны, находясь на орбитах с разной высотой, как на гифке в самом начале, а продолжали лететь одним "строем".

Это тоже можно объяснить лишней, невидимой массой, равномерно распределенной по галактике.

Тогда-то окончательно сформировался термин "темная материя". Сначала полагалось что это обычная материя, невидимая телескопам: коричневые карлики, нейтронные звёзды, черные дыры, все слабосветящие объекты в космосе. Но вычисленная масса темной материи оказалась в десять раз больше видимой, так что если бы она состояла из перечисленных выше явлений из обычной материи, они бы просто заслоняли собой свет звезд в наблюдаемых галактиках!

Сейчас считается что темная материя – небарионное вещество, то есть состоит не из нейтронов, протонов и электронов, а из каких-то других частиц, которые никак не взаимодействуют с нормальным веществом, кроме гравитации. Их невозможно наблюдать напрямую, только косвенно, по гравитации.

Темная материя кажется слишком сложным и запутанным объяснением быстрого вращения звёзд, но с развитием астрономии ее наличие объясняет все больше и больше других странностей, открытых в космосе. Без темной материи трудно объяснить как вообще появились галактики после Большого Взрыва, почему все нормальное вещество во Вселенной не размазано равномерно, а образует сеть, как могут появляться одновременно и карликовые галактики, и настоящие громады.

Кроме этого, судя по всему огромная масса темной материи своей гравитацией замедляет разбегание Вселенной, которое вызвано темной энергией. Будь разбегание быстрее, галактики могли бы не сформироваться, звезды не собрались бы в группы, и сейчас в космосе царила бы тьма, лишь кое-где освещаемая остывающими останками первых и последних звёзд.

Вот как-то так. Получается, пусть и удивительный, но давно знакомый мир лишь маленький придаток к основе этой Вселенной, пятипроцентная крупинка нормального вещества, окружённая неким нечто, о котором мы не знаем почти ничего.