Темные пятна в темной материи

Наша вселенная состоит из обычной (барионной) материи всего лишь на 15%. Остальные 85% составляет таинственная темная материя, природа которой пока остается неизвестной.

На исходе минувшего столетия астрофизики пришли к удивительному выводу: оказывается, видимая материя, то есть та, которую можно потрогать, увидеть или услышать, представлена во Вселенной лишь в небольшом количестве. Остальная же часть космического пространства занята так называемыми темными материей и энергией, обнаружить которые современными методами довольно сложно.

Для исследователей Вселенной такой вывод стал полной неожиданностью. И первое время они даже не представляли себе, как подступиться к этой проблеме. Ho вскоре все-таки появились некоторые надежды на то, что и к загадочным темным «силам» удастся подобрать ключик.

Теперь уже известно, что в мировом пространстве той материи, из которой сформированы звезды и межзвездный газ, всего лишь порядка 4%. Остальную же часть Вселенной занимает скрытая масса и темная энергия, причем на скрытую массу приходится 25%, а на темную энергию - 71%.

Таинственная скрытая масса волнует ученых с 1931 года. Именно тогда швейцарский астрофизик Фриц Цвикки определил полную массу группы галактик. А сделал он это довольно простым способом: подсчитал количество звезд в галактике, а затем полученное число умножил на среднюю массу звезды. Казалось бы, все достаточно надежно.

После этого по красному смещению спектральных линий ученый определил вариацию скоростей галактик. И к своему немалому удивлению, установил, что скорости очень велики и рассчитанного по светимости количества материи явно не хватает, чтобы порожденным ею гравитационным полем удержать галактики в скоплении. То есть выходило, что они должны разлететься, но они, тем не менее оставались на месте. Почему?

И тогда Цвикки предположил, что в скоплениях звезд находится скрытая масса, которая и удерживает галактики. Но большинство ученых к гипотезе швейцарца отнеслись скептически. Не поверил ученый мир и датчанину Яну Оорту, который на основании расчетов пришел к выводу, что масса видимой материи составляет всего 30-50 % от той, которая необходима для удержания звезд в скоплении.

Но все резко изменилось в последней четверти минувшего столетия. Именно в это время у специалистов появилась возможность измерять скорости вращения звезд вокруг центра галактики. Кроме того, в эти же годы астрономы научились определять скорость вращения вещества в галактике в зависимости от расстояния до ее центра.

Больше же всего для представлений о темной материи сделала американская исследовательница Вселенной Вера Рубин. Просканировав с помощью спектрометра галактические диски от центра к краю, она построила кривые вращения, из которых следовало, что скорости заметно возрастают.

Это в свою очередь означало, что каждая галактика окружена оболочкой из несветящейся материи. Невидимое вещество этой оболочки силой притяжения не позволяет звездам вырваться за пределы галактики и тем самым спасает ее от распада.

Сегодня кривые вращения - наиболее веский аргумент в пользу существования темной материи.

В 1998 году астрофизики сделали еще одно удивительное открытие: они установили наличие во Вселенной «темной энергии». А обнаружена она была следующим образом. Дело в том, что именно в 1998 году астрономы получили кривую блеска для сверхновой звезды, которая взорвалась в галактике, находящейся на очень далеком расстоянии от Земли.

Когда ученые определили расстояние до этой галактики, то оно оказалось намного больше того, которое ожидалось в расчетах. Кроме того, звезда во время максимальной светимости выглядела более тусклой, чем предполагалось. Из этого следовал вывод, что Вселенная расширяется с ускорением. Но любое ускоренное движение возможно лишь под действием некоторой силы. В таком случае какая же сила вызывает расширение Вселенной? Именно эту силу астрономы и стали именовать «темной энергией». Но вот что она представляет, никто пока сказать не может.

Сегодня известно лишь то, что «темная энергия» распределена в космическом пространстве равномерно: ее плотность как в скоплениях, так и за их пределами одинаковая. А из этого следует, что «темная энергия» не связана ни с обычным веществом, ни с темной материей...

Но к чему же все-таки привязана «скрытая масса», что является ее носителем? Оказывается, таких структур не одна, а несколько. Всех их ученые разделяют на две группы: массивные астрономические объекты (MACHOs) и элементарные массивные частицы (WIMPs).

Расчеты, а также практика показывают, что массивные объекты практически не светятся, в противном случае их бы давно зафиксировали. Кандидатами на роль MACHOs принято считать черные дыры, нейтронные звезды, а также коричневые и, вероятно, белые карлики.

Но если массивные объекты не излучают световой энергии, то как же их обнаружить вообще? Оказывается, с помощью современных технических средств сделать это хоть и трудно, но можно.

Так, например, когда был выведен на орбиту телескоп «Хаббл», который фиксирует не только видимые, но и инфракрасные лучи, астрономы смогли выявить много коричневых карликов, причем не только в нашей, но и в соседних галактиках. Правда, они составляли всего 6 % от общей массы галактической короны!

Ученые также считают, что искажения картины звездного неба тоже являются следствием присутствия скрытой массы. Это доказали американские исследователи, которые проанализировали изображения 145 000 очень далеких галактик.

Итогом этой колоссальной работы стало доказательство существования скрытой массы на огромных межгалактических просторах.

В арсенале астрономов есть еще один способ, с помощью которого можно определить наличие MACHOs. И основан он на гравитационном поле этих объектов.

Так, если исследователь установит, что какая-то из звезд вращается вокруг какого-то невидимого центра, то он делает вывод, что обнаружен новый массивный астрономический объект. Поскольку именно он создает гравитационное поле, в котором перемещается обнаруженная звезда. А если же рассчитать радиус орбиты и скорость вращения данного объекта, то нетрудно найти и его массу.

А вот физики появление темной материи объясняют тем, что пространство внутри галактик заполнено особого рода частицами (WIMPs), которые в сумме и образуют недостающую, или скрытую, массу.

Появились они, как считают ученые, еще в самом начале развития Вселенной, то есть в то время, когда она была молодой и очень горячей. Почему же тогда мы не можем их увидеть? И почему они не образуют скоплений типа белых карликов? Скорее всего это связано с тем, что они не взаимодействуют друг с другом и с обычными частицами, а также не излучают фотонов. И лишь наличие гравитации говорит об их существовании. По этим причинам и доказать существование этих частиц довольно сложно.

Сдвоенные галактики в облаке темной материи: удивительное открытие

В исследовательской работе, недавно опубликованной в Nature, астрономы обратили внимание на древнюю эру Вселенной, известную как эпоха реионизации (иначе «повторная ионизация»). Этот период охватывает временной промежуток между 550 млн лет и 800 млн лет после Большого Взрыва. В это время первые галактики начали образовывать галактические скопления, а водород в их составе перешел из нейтрального состояния в ионизированное, что сделало Вселенную более прозрачной визуально, а также намного более светлой.

До сих пор считалось, что большинство галактик той эпохи были карликовыми, с очень маленькой массой. Однако результаты другого исследования, также опубликованного в Nature, опровергают это утверждение и указывает на сверхмассивную черную дыру, принадлежащую к эпохе реионизации и старейшую из обнаруженных на сегодняшний день.

Астрономам удалось отыскать в космосе пару галактик, которые столкнулись друг с другом примерно 780 млн лет после Большого Взрыва. В результате они образовали пару, причем одна из галактик лишь слегка уступает по массе Млечному пути. Для сравнения: масса нашей родной галактики составляет примерно 480 миллиардов солнечных масс, тогда как масса галактики SPT0311−58 достигает 440 миллиардов солнечных масс. Примечательно, что галактическую пару окружает гало темной материи колоссальных размеров - его масса составляет порядка 100 миллиардов солнечных масс.

Но как ученым удалось обнаружить ореол темной материи, ведь она невидима глазу? Все дело в гравитационном влиянии, которое это вещество оказывает на галактики. Сами они весьма хаотичны: они столкнулись слишком рано, не успев принять какую-либо законченную форму (к примеру, Млечный путь имеет форму спирали).

Согласно пресс-релизу NRAO, в той же области космоса ученые надеются найти еще больше интересных галактик. «Если нам повезет обнаружить и другие подобные объекты, мы сможем изучить историю молодой Вселенной и понять, как именно образовывались галактики в этот период», объясняет Хоакин Виейра из Университета штата Иллинойс Урбана-Шампейн в пресс-релизе.

P.S.: Если вам интересно, как ученые пытаются найти темную материю, то можете узнать об этом в статье журнала Популярная Механика.