Знание-сила

Знание-сила научно-популярный журнал

Вход Вход
iiene     
Он-лайн ТВ Знание - Сила РФ Проекты Фотогалереи Лекторий ЗС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Горячая новость:
Покупайте журнал «ЗНАНИЕ-СИЛА» в киосках города
 

 





СВЕЖИЙ НОМЕР


Органические молекулы в космосе
 
 

  Проекты  
«Проекты ЗС» - это своего рода исследования, которые предпринимает журнал в отношении комплексов проблем, связанных с развитием науки, культуры и общества. Для рассмотрения этих проблем мы привлекаем специалистов из разных областей науки, философов, журналистов. Каждый проект – это их заочный диалог. Здесь мы выкладываем связанные с этим материалы: статьи, интервью, дискуссии.
Темная материя: иллюзия или реальность?

Лекция Засова Анатолия Владимировича
профессора МГУ, доктора физико-математических наук,
Лауреата Государственной премии РФ
18 февраля 2016 года

 

Засов А.В.: Очень рад видеть так много людей, интересующихся астрономическими проблемами. В названии темы моей лекции нет лукавства, я на самом деле не знаю четкого ответа на поставленный вопрос.

 История, с которой я хочу начать, имеет прямое отношение к космическим исследованиям. И движение космических аппаратов, и движение планет, которые обращаются вокруг Солнца отнюдь не по кругам, как это учат в школе, а по более сложным незамкнутым кривым, рассчитываются на основании ньютоновского закона тяготения, ньютоновской механики, которую проходят в школе. Использование закона всемирного тяготения оказалось вполне достаточным, чтобы мы смогли объяснить их довольно сложное движение в пространстве.

Однако в 19 веке впервые закралось сомнение в том, что классический закон всемирного тяготения везде справедлив. Тогда уже понимали, что никакой закон физики не может быть гарантированно абсолютно универсальным. Появившееся сомнение в отношении закона тяготения было связано с тем, что в объяснении движения небесных тел обозначилась серьезная проблема: самая далекая планета, известная в 19 веке – Уран – двигалась чуть-чуть не так, как это следовало из теоретических расчетов. Поэтому появилась идея о том, что чем дальше от Солнца, тем хуже и хуже этот закон выполняется. Ситуация разрешилась самым благоприятным образом, когда два математика - Леверье во Франции и Адамс в Англии предложили другое объяснение неправильному движению Урана, предположив, что есть какая-то неизвестная планета, которая своим притяжением искажает его орбиту. Эти два математика независимо и достаточно точно определили, где надо искать на небе возмущающее тело. Так была открыта планета Нептун. Фактически они первыми показали, что никакое тело, никакую среду нельзя скрыть, сделав принципиально не обнаружимым, поскольку гравитационное поле всегда выдаст присутствие материи, даже если мы ничего о ней не знаем.

Таким образом, можно узнать о существовании среды, даже если она совсем не излучает и не отражает света. Далее следует естественный вопрос. Если такая невидимая среда в большом количестве действительно существует в природе, то где и как её искать? Состоит ли темное вещество из атомов, как все то, что мы наблюдаем, или это совершенно особый тип материи? Все эти вопросы возникли, конечно, не в 19 веке, а уже в середине 20 столетия, когда снова возникло некоторое сомнение в универсальности закона всемирного тяготения. Правда, к тому времени была уже разработана более общая теория гравитации, основы которой были сформулированы Эйнштейном. Теория Эйнштейна является более общей, чем ньютоновская физика, но, если не говорить о сверхсильных гравитационных полях, она дает лишь небольшие поправки к классическому закону Ньютона.

Так что тогда можно считать темной массой? Среду или тела, излучение которых мы не видим? Тогда-пожалуйста, вот реальная фотография, где неизлучающая среда видна на светлом фоне. Эти области причудливой формы действительно темные. Но на самом деле это хорошо изученное вещество. Так выглядят непрозрачные молекулярные облака, которые из-за пыли не пропускают сквозь себя свет. Однако эта пыль одновременно излучает невидимый свет, и это излучение можно наблюдать в инфракрасном или радиодиапазонах.

Вот еще один пример: очень горячий газ с температурой в миллионы градусов, который наблюдается вокруг некоторых галактик или в скоплениях галактик. Он совершенно невидим, а, значит, и не обнаружим оптическими средствами, однако рентгеновские телескопы улавливают его присутствие, поскольку такой газ светится в рентгеновских лучах. Можно ли отнести такой газ к темной массе? Нет, конечно. Это уже не темная масса, газ, хоть не в оптических лучах, но все же светится. Тогда что называть темной массой?

Сейчас можно найти два определения темной массы, той самой действительно темной, неизлучающей света массы, которой посвящен мой доклад. Первое определение – его условно назовем определением с точки зрения наблюдателя: темная масса – это среда, непосредственно не наблюдаемая ни в какой области спектра, и проявляющая себя только по гравитации. Для теоретика темная материя – это не любая несветящаяся среда, а среда, которая не состоит из атомов или атомных ядер, в отличие от всего, что нас окружает (это означает, что элементов темной материи нет в периодической таблице Менделеева), причем она практически не взаимодействует ни с какими видами материи, кроме как гравитационно. Это тоже определение темной массы.

Считается, что на больших пространственных масштабах темная материя должна преобладать по массе над видимым веществом, то есть в мире больше темной материи, чем реально или потенциально видимой. Но это утверждение требует веских аргументов, опирающихся на имеющиеся наблюдения. Аргументов довольно много, но из них три самых важных. Я расскажу о них подробнее.

Первый аргумент, с которого в общем-то началась вся современная история темной материи, принадлежит американскому ученому немецкого происхождения Фритцу Цвиккки. Это был ученый с очень яркими, нестандартными идеями, и по многим вопросам он имел собственное мнение, отличающееся от общепринятого. Например, он отвергал возможность расширения вселенной, теория большого взрыва его не устраивала, он считал, что свет, который идет с больших расстояний, должен каким-то образом стареть по дороге, и поэтому приходит к нам покрасневшим. Может быть, сейчас мы бы смогли его переубедить, но в 30х -40-х годах наука об эволюции Вселенной еще только начиналась. Он первым высказал идею о существовании нейтронных звезд, причем эвристически, без особой аргументации. И он же пришел к выводу о существовании темной материи между галактиками, проанализировав оценки скоростей галактик в крупном скоплении, известном как скопление Кома, содержащем тысячи галактик. Галактики в скоплении движутся с довольно большими относительными скоростями, разность скоростей даже соседних галактик может превышать полторы тысячи километров в секунду. Но раз галактики удерживаются в скоплении вместе, значит, они гравитационно связаны друг с другом. Цвикки обратил внимание на то, что совокупность сил гравитации отдельных галактик, в которых основную массу составляют звезды, явно недостаточна для того, чтобы сдержать галактики вместе. Поэтому он предположил, что кроме галактик еще есть что-то, что своим гравитационным полем не дает скоплению рассыпаться, и ввел в оборот понятие «темная материя». К этому термину, к этой его идее, как и ко многим другим, отнеслись не очень серьезно. Всегда можно поискать и другие объяснения. Ну, например, может быть, все дело в том, что мы плохо знаем массы отдельных галактик, их не так просто оценить (даже в наше время этот вопрос не выглядит тривиальным), и они на самом деле тяжелее, чем принимал в своих расчетах Цвикки. Более радикальное решение проблемы предложил советский ученый Виктор Амбарцумян: может быть галактики совсем не сцеплены общим тяготениям, а скопление Кома (как и другие системы галактик) расширяются, то есть недавно возникли и наблюдаются на стадии распада. Сейчас мы уверены, что такой сценарий можно исключить – хотя бы потому, что у галактик скоплений нет признаков молодости, но в то время это было не очевидно.

К сходному выводу о нехватке видимой материи привели измерения скоростей карликовых галактик-спутников в окрестности нашей Галактики – Млечный Путь и соседней Туманности Андромеды. Они тоже быстро движутся, так что гравитации звезд этих больших галактик недостаточно, чтобы их удержать рядом. Опять-таки требуется какая-то дополнительная масса. Вот это и есть аргумент номер 1 в пользу того, что темная материя преобладает над видимой по крайней мере в системах галактик.

Но если обратиться к отдельным галактикам, то и там встречается та же проблема: они давно потеряли бы свои далеко расположенные от центра звезды, если бы не было темной материи. Это аргумент номер 2. Здесь стоит напомнить, что видимая масса в большинстве галактик в основном сосредоточена в звездах. На втором месте – межзвездный газ. И звезды, и газовые облака обращаются вокруг центра галактики. Если это звезды диска, то их орбиты должны быть похожи на круги, и по скорости вращения можно оценить массу внутри орбиты. Если это эллиптические галактики, где диска нет, то орбиты звезд вытянуты в различных направлениях. По закону всемирного тяготения Ньютона, измерение внутренних скоростей в системе содержит информацию о той массе, которую она в себе заключает. С другой стороны, светимость галактики позволяет найти суммарную массу звезд, а наблюдения в линиях излучения газа в радиодиапазоне - узнать о его количестве. Выяснилось, что массы звезд и газа недостаточны для объяснения скоростей их движения в галактике. Иными словами, получилось резкое расхождение между двумя оценками масс: одна -- по количеству звезд и газа, а другая по кинематике, то есть по скоростям их движения в диске.

Впервые об этом четко заявила американский исследователь Вера Рубин. Она использовала электронно-оптический преобразователь в качестве приемника излучения. Электронно-оптический преобразователь увеличивает яркость наблюдаемых объектов, что и позволило получить спектры очень слабых периферийных областей галактик. Рубин сумела проследить скорость вращения галактик до больших расстояний от центра: до нескольких десятков тысяч световых лет. Оказалось, что с удалением от центра скорость вращения в большинстве случаев увеличивается до какой-то величины, и не торопится опускаться. А, казалось бы, с расстоянием скорость вращения должна падать, как, например, в солнечной системе - чем дальше планета от Солнца, тем она медленнее обращается вокруг него. А в галактиках скорость остается примерно на том же уровне. Заключение Веры Рубин было таким: «Неизбежен вывод о том, что вещество в галактиках не так сильно концентрируется к центру, как их яркость. Поэтому по распределению яркости в галактиках нельзя судить о распределении массы в них». Отсюда следует, что мы должны предположить существование какой-то дополнительной массы, которая обеспечивала бы быстрое вращение далеких от центра областей галактик. Замечу, что для объяснения вращения во внутренних областях галактик – в пределах, условно говоря 10 тысяч световых лет – темная масса, как правило, не требуется, или она незначительна. К примеру, на рисунке показано, как выглядит кривая вращения сравнительно близкой к нам спиральной галактики М33. Здесь наблюдаемая кривая вращения (зависимость скорости от расстояния до центра) сравнивается с теоретически ожидаемой при отсутствии темной материи (пунктирная линия). В центре расхождения между кривыми минимальны, можно сказать их практически нет, а на краю они очень большие. То есть, внешние области галактики движутся в гравитационном поле, которое галактика, содержащая только звезды и газ, создать не может. В пределах оптических границ галактик масса темной материи и обычного вещества оказываются, как правило, сопоставимы, но еще дальше от центра преобладает уже темная материя.

Возникла идея, что каждая галактика погружена в гало темной материи (темное гало), и его гравитационное поле заставляет двигаться звезды и газ быстрее, чем это было бы при наличии только наблюдаемого вещества. Это гало простирается дальше оптических границ галактик. Радиус гало для таких галактик, как наша, оценивается примерно в полмиллиона световых лет. . Для сравнения: расстояние от Солнца до центра галактики всего немногим более двадцати тысяч световых лет Масса темного гало по отношению к видимой галактике во многих случаях в десятки раз превышает массу обычного вещества, то есть звезд и газа. Внутри протяженного гало также могут находиться обычные звезды и обычный разреженный газ (в нескольких случаях он уже обнаружен по линиям поглощения в спектрах далеких квазаров), но основная масса гало -- темная, то есть принадлежит неизвестному веществу.

Теперь мы переходим к решающему Аргументу номер три: каким образом все-таки можно проверить, действительно ли существует эта невидимая масса, и можно ли обнаружить ее присутствие иными путями, не опираясь на оценки скоростей внутренних движений. Такую возможность дали наблюдения гравитационного линзирования, то есть изучение искажений изображений далеких источников, если на его свет подействовало гравитационное поле вещества, мимо которого или сквозь которое этот свет прошел. Общая идея такова: если у нас есть какой-то источник света или любого другого излучения, и его лучи проходят мимо массивного тела, то лучи искривляются, свет отклоняется гравитационным полем этого тела. В этом случае наблюдатель увидит источник немного не в том направлении, в котором он действительно находится. Более того, изображение источника будет растянуто, и даже разбито на несколько компонент. Можно сказать, что гравитационное поле массивного объекта действует на свет наподобие положительной линзы. Поэтому принято говорить об объектах, создающих гравитационное поле, как о гравитационных линзах. Однако разница с обычной линзой в том, что линза сводит пучок параллельных лучей в точку фокуса, и строит изображение далеких объектов в фокальной плоскости. У гравитационной линзы такой точки и плоскости нет, есть фокальная линия, проходящая через центр линзы, где сходятся пучки лучей, которые проходят на разном расстоянии от неё. Поэтому такого четкого и изображения, какое дает обычная линза, гравитационная линза построить не может. В идеале, если линза симметрична, а источник находится в точности за центром линзы, изображение источника превратится в кольцо вокруг линзы. В общем случае, изображение объекта, расположенного за линзой, будет искаженным, дугообразным, разбитым на несколько компонент, наблюдаемых по разные стороны от центра линзы.

Вопрос о гравитационном линзировании имеет свою историю. Исаак Ньютон был первым, который задумался над возможностью влияния гравитации на свет. Он поставил вопрос: «не действуют ли тела на свет на расстоянии, и не является ли это действие более сильным на меньшем расстоянии?». Но Ньютон вряд ли мог предположить, что когда-нибудь метод воздействия массивных тел на свет будет реально использован в астрономии. В 19 веке была теоретически получена оценка угла, на который отклоняется луч света, проходя на определенном расстоянии мимо тяготеющей массы. В 20 веке уже упоминавшийся выше Цвикки, по-видимому, первым оценил реальную возможность астрономической проверки ожидаемого эффекта на далеких галактиках. Однако очень сложно было практически найти его проявление: среди близких к нам объектов нет ничего похожего на эффект гравитационной линзы. Эта задача была решена только во второй половине прошлого века. Удалось найти эффект линзирования света далеких звезд гравитационным полем других звезд по дороге к нам (этот эффект называется микролинзированием), а также искажение изображений далеких галактик, свет которых проходит через другие галактики или скопления. Впервые четкие дугообразные изображения галактик на фоне скоплений были получены космическим телескопом Хаббла, запущенным в США. Любопытно, что гравитационное линзирование увеличивает наблюдаемую яркость объектов, и поэтому позволяет увидеть очень далекие галактики, которые иначе были бы недоступны для наблюдений. Можно сказать, что природа приготовила для нас своего рода телескопы, развернутые в случайных направлениях, в которых гравитационная линза служит объективом, и мы смотрим сквозь них на очень далекие объекты. С помощью компьютерных программ удается восстановить реальный вид объектов, изображения которых искажены гравитационным полем. Но для нас важно то, что, измерив красное смещение источника и объекта, играющего роль гравитационной линзы, можем оценить массу последней, то есть массу скопления галактик или галактики, вблизи которой видны искаженные изображения. Наблюдения подтвердили, что массы и галактик, и их скоплений оказываются значительно более высокими, чем можно было бы ожидать в случае отсутствия темной материи.

Но исследователи пошли дальше. Если при сильном эффекте линзирования изображения галактик дальнего фона размазываются в хорошо различимые дуги, то при слабом эффекте, когда объекты наблюдаются достаточно далеко от центра линзы, эти дуги очень короткие, и их нелегко отделить от естественной вытянутости галактик. Тем не менее, гравитационные искажения, то есть упорядоченный характер вытянутости, можно выявить по статистическому анализу большого количества изображений далеких галактик. Так появился новый метод прощупывания темной массы вокруг скоплений или вокруг отдельных галактик - по слабым искажениям далеких галактик, то есть по вытянутости изображений, определяемой статистическими методами. Этот подход получил название метода слабого линзирования.

 

В каких же галактиках больше всего темной материи по сравнению с непосредственно наблюдаемым веществом? Оказывается, это относится в первую очередь к двум типам галактик. Во-первых, это галактики небольшой массы и светимости, они называются карликовыми галактиками. Такие галактики содержат в сотни раз меньше звезд, чем наш Млечный путь. А во-вторых, это галактики, которые встречаются и среди карликов, и среди гигантов, и отличаются очень низкой поверхностной яркостью, то есть у них очень низкая плотность звезд. Они так и называются -- галактики низкой поверхностной яркости. Это едва заметные галактики-призраки, они почти не видны на обычных фотографиях, но, тем не менее, могут обладать быстрым вращением и иметь большую массу. Они состоят почти целиком из ненаблюдаемой, а значит, темной материи (по определению наблюдателя), а звезды и газ – лишь небольшая добавка к ней.

Можно предположить, и для этого есть все основания, что существуют галактики, где звезд еще меньше, то есть практически нет. Их нельзя ни увидеть, ни сфотографировать, это почти чистая темная материя. В своём движении они могут подходить близко к нормальным галактикам, гравитационно взаимодействовать с ними, но нам будет казаться, что обычная одиночная галактика по каким-то странным причинам деформирована.

Очень большое количество темной материи содержится между галактиками в скоплениях галактик. То, что в свое время обнаружил Цвикки, было подтверждено по эффектам гравитационного линзирования. Оказалось, что в скоплениях количество темной материи многократно, в десятки и сотни раз превышают суммарную массу звезд и газа в галактиках и в межгалактической среде.

Вопрос фундаментальной важности -- из чего же состоит эта темная материя? Этот ключевой вопрос так и остался до сих пор нерешенным. Было предложено немало гипотез. Рассматривалась, например, возможность того, что темная материя - это совокупность объектов, имеющих низкую светимость, которые по этой причине остаются для нас невидимыми. Таким объектами, в принципе, могли быть карликовые звезды или тела типа планет, которые можно заметить только с небольшого расстояния, или же громадное количество одиночных нейтронных звезд или черных дыр - продуктов эволюции звезд большой массы. Может быть, на них приходится основная доля скрытой материи? Но все перечисленные варианты отпали, поскольку выводы из них вступили в противоречие с данными наблюдений. К примеру, нейтронные звезды и черные дыры как кандидаты в темную массу не проходят, потому что они представляют собой конечную стадию эволюции короткоживущих массивных звезд, и эти звезды успели бы насытить межзвездную среду слишком большим количеством тяжелых элементов, которые в них возникли.

 Постепенно большинство исследователей пришло к выводу, что если не вся, то основное количество темной материи должно приходиться на элементарные частицы, не входящие в состав атомов—иначе тем или иным способом они дали бы о себе знать. Была большая надежда на то, что такой частицей является уже давно открытая трудно уловимая частица- нейтрино. Потоки нейтрино действительно заполняют всю Вселенную. Но оказалось, что масса нейтрино слишком мала для того, чтобы составить основное количество темной материи – не наберется и процента от требуемой для темной массы. Впрочем, есть теоретические основания предполагать существование так называемых стерильных нейтрино, практически не взаимодействующих ни с каким видом материи – кроме как через гравитацию. Но вопрос о существовании стерильных нейтрино и их количестве пока не решен, поэтому еще рано говорить о вкладе этих частиц в темную массу. Еще одна не закрытая на сегодня возможность – большое количество так называемых первичных черных дыр, возникших в результате мгновенного гравитационного коллапса части материи на самой ранней стадии рождения окружающей нас Вселенной. У этой гипотезы есть свои сторонники, хотя проверить ее сложно.

Есть и более экзотические теории, например, теория зеркальной Вселенной, сосуществующей с нашей Вселенной. Этот зеркальный мир состоит из частиц, подобных тем, которые образуют наш мир, они так же взаимодействуют между собой, как и «наши», но обладают такими квантовыми свойствами, которые исключают их прямое взаимодействие с частицами нашего мира – опять же помимо гравитационного. В этой зеркальной Вселенной должны быть те же галактики, и они совпадают с галактиками нашей Вселенной, хотя должны иметь другую структуру и другие звезды. Только всего этого мы не видим, поскольку можем наблюдать лишь «своё» вещество, а материю зеркальной Вселенной воспринимаем по ее гравитации как тёмную материю. В то же время, для зеркальной Вселенной, наоборот, наш мир воспринимается как не-светящаяся и ни с чем не взаимодействующая темная материя, о которой говорит лишь гравитационное поле.

Все же, пожалуй, наиболее распространенная точка зрения заключается в том, что темная материя – это одна из важнейших составляющих нашей Вселенной, которая представляет собой море тяжелых нерелятивистских (то есть движущихся с небольшими скоростями) элементарных частиц, более тяжелых, чем протон или нейтрон, и которые очень слабо взаимодействуют с обычным веществом - кроме как посредством гравитации. Физика элементарных частиц – а на сегодня это достаточно развитая область науки – допускает такую возможность. Говоря более строго, сечение взаимодействия частиц темной материи с обычными частицами очень мало, и вероятность столкновения с обычными атомами крайне низка. Но, поскольку таких частиц должно быть очень много, в принципе, такие события, как их столкновения с атомами, все же можно попытаться зарегистрировать в лаборатории. Эта задача технически очень сложная, но все же решаемая современными методами. В разных странах создаются подземные лаборатории, где пытаются хитроумными способами зарегистрировать редкие столкновения всепроникающих частиц темной материи с атомами вещества, используемого в качестве детектора. Увы, пока результат нулевой. Правда, экспериментаторы в Италии утверждают, что их установка регистрирует такие события. Речь идет о лаборатории Гранд Сассо, спрятанной глубоко в толще горы (чтобы исключить действие частиц, связанных с космическими лучами), где проводятся эксперименты по поиску частиц темной материи. Участниками эксперимента было заявлено, что они такие события уже довольно продолжительное время регистрируют – правда, эффект обнаруживается лишь на статистическом уровне.Но как доказать, что регистрируемые частицы, относятся к темной материи? Это не сложно – говорят участники эксперимента. Игра на том, что темная материя заполняет Галактику, и потоки её частиц, с которыми встречается Земля, должны варьироваться в течение года. Причина этого простая: Земля обращается вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с, а Солнце само движется в Галактике со скоростью, на порядок более высокой. Поэтому в течение года скорость Земли по отношению к Галактике, если рассматривать как целое, непрерывно меняется, то увеличиваясь, то уменьшаясь на несколько процентов. Как следствие, с тем же годовым периодом должна меняться и частота столкновений с частицами темной материи. Она максимальна, когда скорость Земли в Галактике складывается со скоростью Солнца, и минимальна, когда она направлена в противоположную сторону. Экспериментаторы в Гранд Сассо утверждают, что именно это им удается отслеживать в течение ряда лет. Но вот незадача: никто не может уверенно повторить их результат. Этот эксперимент подогрел интерес к поиску частиц темной материи, породил создание новых экспериментальных установок во Франции, Италии, и США. Но даже добившись увеличения чувствительности в сотни раз, экспериментаторы не обнаружили, статистически достоверного превышения сигнала над фоном, хотя команда Гранд Сассо продолжает стоять на своем. Поэтому вопрос о достоверности их результатов пока остается открытым. Поиски продолжаются.

Проверяется и другой способ улавливания сигнала от частиц темой материи. Если темная материя представляет собой еще не открытые физиками элементарные частицы, то вместе с ними должны существовать и их античастицы, и, поскольку концентрация и тех, и других, обязана быть высокой, чтобы они представляли темную материю, они с некоторой вероятностью должны друг с другом аннигилировать. Теоретически можно ожидать, что в результате аннигиляции гипотетических массивных частиц рождаются гамма-кванты и/или нейтрино высоких энергий. Наиболее заметными источниками этого аннигиляционного излучения должны быть сравнительно близкие к нам карликовые галактики, которые состоят в основном из темного вещества. Излучение таких галактик в гамма-диапазоне тщательно искали на космической гамма - обсерватории Ферми. Результат шестилетних наблюдений за несколькими галактиками оказался нулевым, то есть статистически не отличимым от общего гамма-фона. Всё это означает, что мы до сих пор так и не прояснили, какова же природа темной материи.

Нельзя полностью исключить и возможность того, что темной материи вообще не существуют, есть сторонники и такой точки зрения. Но как же тогда интерпретировать все аргументы ЗА? Наиболее распространенный вариант выхода из положения - это постулировать слегка измененную математическую формулировку закона всемирного тяготения – ввести, помимо постоянной тяготения G, еще одну константу a0, имеющую размерность ускорения. Эту идею в свое время предложил израильский физик М.Мильгром, развив так называемую теорию модифицированной ньютоновской динамики, сокращенно МОНД. Когда реальные ускорения тел больше a0, справедлива стандартная формулировка закона тяготения, но если при удалении от центра гравитации ускорение становится значительно меньше a0, то формула Ньютона постепенно переходит в другую, согласно которой ускорение уменьшается с расстоянием медленнее, чем по Ньютону, то есть оно оказывается более высоким, чем это следует из классической теории. Вероятное значение a0очень мало- порядка 10-8 (одна стомиллионная доля) смс2. Это мизерная величина: тело, имеющее такое ускорение, сможет увеличить свою скорость на 1 м/с лишь за 300 лет непрерывного движения. Поэтому во всех практических приложениях эту константу можно не принимать во внимание. Но когда речь идет об ускорениях на периферии галактик, то они оказываются меньше a0, и, согласно теории Мильгрома, использование обычной ньютоновской формулы закона всемирного тяготения будет недооценивать ускорение звезд и газа. Следовательно, наблюдаемая высокая скорость вращения внешних областей галактик, которая почти не меняется с радиусом, не потребует темного гало для своего объяснения. Однако, физики относятся очень скептически к любым попыткам видоизменения фундаментальных законов ради для решения какой-либо одной, пусть даже серьезной, проблемы. Поэтому сторонников такого подхода немного.

В любом случае, все гипотезы проверяемы. Экспериментаторы из университета им. Вашингтона (США) несколько лет назад опубликовали статью, где описывался проведенный ими эксперимент, с помощью которого они пытались проверить, действительно ли ускорение тел отличается от ожидаемого, когда оно становится сопоставимым с a0. Для этого экспериментаторы использовалиторсионный маятник, качающийся в горизонтальной плоскости. Когда маятник проходит через положение равновесия, у него ускорение равно нулю. Поэтому, если исследовать изменение периода колебаний, наблюдая за маятником в течение длительного времени, то можно проверить, отклоняется или нет результат от того, что предсказывает ньютоновская теория. Ответ был отрицательным: заметно не отклоняется.

Астрономы тоже дали повод усомниться в правильности теории модифицированной динамики, обнаружив, что в некоторых галактиках в разных направлениях от центра гравитационное ускорение меняется с расстоянием немного по-разному. Это трудно согласовать с теорией МОНД, а при классическом подходе просто означает, что темные гало имеют не совсем сферические формы.

До сих пор речь шла преимущественно о наблюдательных свидетельствах темной материи. Не менее важно то, что ее присутствие следует из современных теоретических космологических моделей. Измерения красных смещений в спектрах далеких галактик, анализ неоднородностей яркости фонового реликтового излучения, оценка химического состава звезд и газа – все это удалось связать воедино в рамках теории расширяющейся вселенной, но только при условии, что значительная часть материи – темная, не состоящая из атомов. Без учета гравитации темной материи невозможно объяснить, например, как менее через 1 млрд лет после начала расширения Вселенной в ней успели образоваться галактики – гравитации видимого вещества для этого недостаточно. Численные эксперименты позволили проиллюстрировать, как эволюционировала первичная смесь темной материи и барионной материи, то есть материи, состоящей из атомов или их ядер. По современным представлениям, именно из этой смеси, изначально почти однородной, рождались галактики и их скопления. Космологические модели приводят к выводу, что на долю барионной материи должно приходиться примерно 1/6 часть всего вещества Вселенной, а 5/6 - на не-барионную темную материю. Впрочем, часть барионной материи, которую мы пока не в состоянии наблюдать существующими методами, также можно отнести к темной (с точки зрения наблюдателя), хотя она представляет собой обычный газ. Это прежде всего относится к горячему газу очень низкой плотности, который находится в гало галактик и в межгалактическом пространстве.

 Подведу итог. Существование большого количества темной материи пока остается гипотезой, но достаточно обоснованной, и вытекающей из совокупности имеющихся данных наблюдений. Однако, природа темной материи, увы, остается не известной, хотя нет недостатка в предположениях, а попытки ее прямого обнаружения пока не привели к убедительным результатам. Не известно даже, состоит ли темная материя из одного типа частиц, или из нескольких. Единственное свойство частиц тёмной материи, которое можно постулировать, помимо их слабого взаимодействия с обычной материей, – то, что это не релятивистские частицы: по крайней мере их существенная часть должна иметь небольшие скорости движения – порядка сотен км/с, только при этом условии темная материя может концентрироваться в галактиках.

Вероятнее всего, гипотеза о темной материи все же верна, и ее учет дает возможность в общих чертах объяснить, как формировался мир галактик в расширяющейся Вселенной. Но тогда надо признать, что все виды космических объектов и сред, которые мы исследовали до сих пор -- от планет и звезд до систем галактик – это лишь небольшая часть всей существующей материи. Это, конечно, серьезный вызов науке.

Ответы на вопросы присутствующих на лекции

Вопрос: Здравствуйте. Вы не могли бы просто рассказать, где можно почерпнуть информацию о Галактиках-призраках?

К сожалению, в популярной литературе этот материал найти трудно. Вскользь об этом говорится, например, в сборнике «Галактики» под редакцией Сурдина Я бы порекомендовал также познакомиться с обзором «Темная материя в галактиках» в «Успехах физических наук» (2016), где об этом говорится чуть подробнее. Но научных работ, где обсуждаются галактики, почти целиком состоящие из темной материи, выходит довольно много.

Вопрос (продолжение): А гравитационных линз, состоящих именно из темных гало, пока не нашли?

Я бы так не сказал. Именно темные гало образуют наблюдаемые линзы в масштабах галактик, хотя всегда вместе с темным веществом мы наблюдаем присутствие и звездного населения.

Вопрос:Здравствуйте, скажите пожалуйста, излагая теорию гравитационного линзирования, вы упоминали об увеличении оптической светимости линзируемого объекта. В чем физическая сущность оптического усиления?

Как я говорил, гравитационная линза обладает линией фокуса. Вблизи этой линии фокусируются лучи, которые, если бы не гравитационная линза, прошли бы мимо. И из-за того, что лучи источника фокусируются за линзой, там, где мы находимся, мы видим объект более ярким - иногда на порядок величины.

Вопрос: Когда мы говорим о модели, где в закон притяжения вносится поправка в виде константы, как мы объясняем гравитационные линзы?

Гравитационные линзы в этом случае объясняются на качественном уровне точно так же - ведь теория модифицированной динамики не отменяет гравитацию. Но количественно она дает отличающийся результат.

Вопрос: Добрый вечер. Что послужило причиной неравномерного распределения темной материи вообще по вселенной?

Ответ простой – гравитация. Вещество темной материи (вместе с барионной материей) вначале было практически однородно распределено по объему всего пространства, с точностью до очень маленьких флуктуаций плотности, существование которых неизбежно. Эти мелкие превышения плотности над средним уровнем в процессе расширения становились более контрастными, и очень быстро их избыточная гравитация привела к тому, что расширение этих уплотнений остановилось и сменилось сжатием. Распределение вещества стало неоднородным вплоть до масштабов в сотни мегапарсек, и сформировалась крупномасштабная структура Вселенной, наблюдаемая нами по распределению галактик.

Вопрос: Не так давно подтвердилось наличие существования гравитационных волн посредством наблюдения за слиянием двух черных дыр. Вопрос. Если темная материя обладает гораздо большей массой нежели вся остальная барионная материя, нельзя ли теми же методами ее обнаружить?

Нет, нельзя. Массивные тела сами по себе никаких гравитационных волн вообще не излучают. Детекторы гравитационных волн реагируют не на гравитационные поля, а на волны, которые рождаются при быстром изменении этих полей, когда массивные тела движутся с ускорениями. Из какого вещества они состоят – не имеет значения. Другое дело в том, что гравитационные волны могли возникать на самом раннем этапе расширения вселенной, это так называемые космологические гравитационные волны, и здесь гравитация темной материи, конечно, играла большую роль. Такие волны могут существовать теоретически, но экспериментальная физика еще не достигла таких высот, чтобы их обнаружить.

Вопрос: Здравствуйте. Спасибо за хорошую лекцию. Как вы используете нейтринные телескопа на нашей планете в Антарктида и Средиземное море? И еще вопрос -- как пилотируемая космонавтика может помочь в дальнейшем исследовании темной материи? Спасибо.

Вы не забывайте еще и про наш нейтринный телескоп на Байкале, он тоже ловит высокоэнергичные нейтрино. Но нейтринные телескопы должны годами копить редкие события регистрации нейтрино, чтобы уверенно говорить о том, что именно обнаружено. Пока самое большое научное достижение, связанное с нейтринными телескопами, помимо того, что удалось реально получить нейтринное изображение Солнца и согласовать наблюдаемые и теоретически ожидаемые потоки солнечных нейтрино, – это обнаружение нейтрино таких высоких энергий, которые звезды не могут порождать. Откуда они появились – неизвестно. Их природа, возможно, связана с аннигиляцией частиц темной материи.

Вопрос: Про пилотируемую космонавтику был вопрос, как она может помочь?

В пилотируемой космонавтике решаются другие задачи. Те ускорения, с которыми движутся космические корабли –уж заведомо не требуют никакой модификации закона всемирного тяготения. Другое дело, научные эксперименты на МКС, или обслуживание космических обсерваторий, которые могут иметь отношение к поискам следов темной материи. Как здесь обойтись без пилотируемой космонавтики?

Вопрос: Скажите, пожалуйста, чем установки, которые предназначены для обнаружения темной материи непосредственно - отличаются от нейтринных телескопов?

Они отличаются очень многим. Они работают в разных диапазонах энергий частиц. Разное вещество используется в качестве детектора, разные способы выделения сигнала.

Вопрос: Скажите, а если достоверно будет доказано существование темной материи – как мы можем использовать эти знания на практике?

Никто не в состоянии ответить на этот вопрос. При исследовании неизвестного не ориентируются изначально на практическое использование. Это вопрос научных знаний о мире. Очень трудно сказать, во что это может вылиться в будущем. Когда физики делали опыты, показывающие, что переменное магнитное поле рождает электрический ток – это было настолько далеко от практики, что никому в голову не приходило, что когда-то на этой основе будут созданы генераторы тока и электромоторы. Я пока не вижу практических перспектив, но это не значит, что они не возникнут.

Вопрос: Здравствуйте, скажите пожалуйста, существуют ли теории по поводу появления темной материи?

Об этом говорить рано. Рождение любой формы материи, включая темную, – это вопрос открытый, и уводит нас в космологические представления о том, как могла возникнуть наша Вселенная, как рождались и исчезали элементарные частицы. Начальным, а, может быть и переходным этапом развития Вселенной, является состояние сверхвысокой плотности энергии, но оно не описывается существующими физическими теориями. Есть различные теоретические подходы, подчас противоречащие друг другу. Эта область науки быстро развивается. Подождем.

Вопрос: Скажите, а есть какие-то предпосылки связать теорию черных дыр и теорию темной материи?

Конечно. Во-первых, черные дыры теоретически могут быть образованы как барионной, так и темной материей, или смесью этих двух материй, они будут неразличимы. Но с барионным веществом проще- оно способно быстро терять энергию, и поэтому его легче сжать. Напомню также, что, как я уже говорил, гипотетические первичные черные дыры, которые при некоторых начальных условиях могли в большом количестве возникнуть сразу после начала расширения Вселенной – это один из возможных вариантов объяснения темной материи.

Вернуться назад

Архив статей

 

вернуться


Карта сайта | Контактная информация | Условия перепечатки | Условия размещения рекламы

«Сайт журнала «Знание-сила»» Свидетельство о регистрации электронного СМИ ЭЛ №ФС77-38764 от 29.01.2010 г. выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор)
© АНО «Редакция журнала «Знание-сила» 2012 год

По техническим вопросам функционирования сайта обращайтесь к администратору

При поддержке медицинского портала ОкейДок


Rambler's Top100
av-source