velzevul (dubva1) wrote,
velzevul
dubva1

Тяжесть невидимого

Мировоззрение о том, что мы и наше наиблежайшее окружение сделаны из одних и тех же кирпичиков, электронов и барионов (протонов и нейтронов), что и весь бескрайний космос, является иллюзией.





Наше родимое электронно-барионное вещество составляет только малую толику (около 1/7) «материальной» части нашей Вселенной. Другие 6/7 приходятся на совершенно иную материю, о которой ровно ничего не понятно. Но даже совместно с этой таинственной материей все наличные барионы и электроны (общим числом приблизительно 1078) составляют меньше 30% общей массы Вселенной. Остаток обеспечивает некоторое поле, концентрирующее внутри себя энергию физического вакуума. Так что если из Космоса убрать все, что только лицезреют телескопы, он фактически не похудеет.


Млечный Путь


Как ученые заподозрили, что на принятом портрете Вселенная представлена с значительным недовесом?


Во 2-ой половине 1920-х годов три сверкающих астролога – шведы Бертил Линдблад и Густав Стромберг, работавший в калифорнийской обсерватории Маунт-Вильсон, и голландец Ян Оорт изучали движение светил нашей Галактики. Стромберг обосновал, что звезды совершают не только лишь упорядоченные, да и хаотические движения, похожие на движение молекул в газе. Линдблад нашел, что все звезды обращаются вокруг центральной части Млечного Пути. В конце концов, в 1927 году Оорт узнал, что угловая скорость вращения звезды находится в зависимости от расстояния от нее до галактического ядра и что близкие к ядру звезды вертятся резвее периферийных, следуя примеру планет Галлактики. Хотя этот вывод конкретно следует из законов Кеплера и сейчас результаты Оорта смотрятся практически элементарными, не следует забывать, что в те времена никто не знал о спиральной структуре Млечного Пути.


Сначала 1930-х годов уже было подтверждено, что звезды не просто крутятся вокруг центра Галактики, да и смещаются в направлении, перпендикулярном ее главной плоскости. Еще в 1919 году известный английский астрофизик Джеймс Джинс установил математическую закономерность, которой подчиняются подобные смещения. Его уравнение связывает вертикальное движение звезды с гравитационным потенциалом галактического диска, который, в свою очередь, находится в зависимости от его полной массы. В 1932 году Оорт сделал вывод, что эта масса примерно равна общей массе всех звезд. Отсюда следовало, что галактический диск содержит некоторые несветящиеся объекты, которые заносят пятидесятипроцентный вклад в его поле тяготения. Так родилась догадка о существовании в глубинах космоса громоздкой, но невидимой субстанции (точнее, невидимой для оптических телескопов, так как других в то время просто не было). Эту субстанцию тогда почаще назвали сокрытой массой, но с течением времени за ней крепко закрепилось принятое сейчас заглавие «темная материя».


Строго говоря, Оорт не был полностью оригинален – о существовании невидимой галлактической материи догадывались и его учитель Якобус Каптейн, и Джинс (ну и термин «темная материя» неуверенно появился в астрономическом лексиконе еще сначала 1920-х годов). Но конкретно Оорт первым доказал эту догадку при помощи данных звездной статистики. В дальнейшем она стопроцентно подтвердилась, хотя и не в интерпретации Оорта. Он сделал ряд технических ошибок в наблюдениях, которых тогда было нелегко избежать. Для определения плотности звездного «газа» и траекторий движения его «частиц» следовало опираться на наблюдения одних и тех же светил, а Оорт этого не знал. Были и другие некорректности, обычные для тех пор. Много позднее, уже в эру спутниковой астрономии, ученые обосновали, что диск Млечного Пути не содержит либо практически не содержит черной материи. Но хотя в определенном случае Оорт оказался неправ, интуиция его все таки не подвела.


Масса динамическая…


В 1933 году другой блестящий астролог, Фриц Цвикки, приступил к наблюдениям широкого скопления галактик, которое сначала ХХ столетия открыл германский астролог Макс Вулф. Оно размещено в 300 млн. световых лет от Млечного Пути и на земном небосклоне лежит в районе созвездия Волосы Вероники (Coma Berenices), откуда и получила свое заглавие – скопление Кома. Оно состоит из тыщ галактик, в большей степени эллипсовидных либо линзовидных. Спиральных галактик там малость, и они сосредоточены у краев. Это скопление находится вдали от центральной плоскости Млечного Пути, звезды, галлактическая пыль и газ не прячут его от земных телескопов, и для астрологов это поистине безупречный объект наблюдения.


Цвикки изучал особенности движения 6 сотен галактик скопления Кома. Для определения скорости этих галактик он использовал доплеровское смещение спектральных линий, что в те времена было очень сложный задачей. Цвикки также отыскал достойное применение известной из теоретической механики аксиоме вириала. Согласно ей, полная кинетическая энергия стационарной системы, связанной силами тяготения (а галактическое скопление такой и является), равна половине ее гравитационной возможной энергии, взятой с оборотным знаком (перемена знака нужна, так как возможная энергия тяготения отрицательна). Из аксиомы вириала следует, что полная масса скопления примерно равна его радиусу, помноженному на среднее значение квадратов скоростей галактик и поделенному на гравитационную постоянную (скорости должны быть вычислены относительно центра инерции скопления). При помощи этих формул Цвикки «взвесил» скопление Кома (массу, вычисленную таким методом, именуют динамической либо вириальной).


И звездная


Общее количество энергии, излучаемой звездой за единицу времени, находится в зависимости от ее массы. Подобные зависимости, так именуемые дела масса/светимость, были отлично известны и в 1930-х. Уже в 1920-х годах астрологи оценили количество звезд разных спектральных классов в нашей Галактике и таким макаром очень точно вычислили их суммарную массу. При помощи статистических способов можно отыскать соотношения масса/светимость как для галактик, так и для галактических скоплений.


Занимаясь скоплением Кома, Цвикки столкнулся с неожиданностью – звездная масса кластера оказалась практически в 50 раз меньше его вириальной массы! Естественно, расчеты были очень ориентировочные, но расхождение все равно было очень велико, и чуток позднее Цвикки именовал источник лишней массы черной материей. Спустя три года калифорнийский астролог Синклер Смит таким же образом обработал данные наблюдений наиблежайшего к нашей Галактике скопления Вирго, удаленного всего только на 60 млн. световых лет. Результаты вышли еще больше впечатляющими – масса скопления, вычисленная на базе его светимости, составила только 1% вириальной массы!


Но эти странноватые результаты не вызвали брожения разумов в проф среде. Астрологи приняли их к сведению, назвали вириальным финоменом, но от последующих исследовательских работ воздержались. Восторжествовало мировоззрение, что неувязка сокрытой массы пропадет сама собой, когда появятся более совершенные способы наблюдения галактик. Посреди 1950-х годов Виктор Амбарцумян «разрешил» эту делему одним ударом, заявив, что скопления Вирго и Кома находятся в состоянии разлета, а поэтому аксиома вириала к ним неприменима. Эта догадка поначалу вызвала большой энтузиазм, но достаточно скоро скончалась естественной гибелью.


С 3-х материков


Через 30 с излишним лет после открытия Цвикки делему черной материи извлекли на свет практически сразу и независимо друг от друга ученые с 3-х материков. В конце 1960-х годов сотрудники Отдела земного магнетизма вашингтонского Института Карнеги Вера Рубин и Кент Форд приступили к наблюдениям нашего наиблежайшего соседа, спиральной галактики М31, более известной под именованием туманности Андромеды. В распоряжении ученых был сделанный Фордом электроннооптический преобразователь, позволяющий регистрировать диапазоны очень мерклых объектов. С его помощью были промерены скорости вращения звезд и газовых туч, отстоящих на разные расстояния от галактического центра. К этому времени динамика звездных скоплений была известна еще лучше, ежели во времена Оорта, потому ученые заблаговременно были убеждены в итоге.


Полной аналогии с движением Земли и иных планет, естественно, ожидать не приходилось. Фактически вся масса Галлактики сосредоточена в центре, и потому в согласовании с законами Кеплера и линейные и угловые скорости планет однообразно убывают по мере удаления от светила. Но туманность Андромеды, как и остальные спиральные галактики, не имеет доминирующей центральной массы. Потому скорости вращательного движения звезд по мере удаления от центра поначалу должны возрастать, достигая максимума, после этого равномерно уменьшаться.


Конкретно такую горбатую кривую и намеревались получить Рубин с Фордом. Но вышло по другому: скорости звезд по мере удаления от центра поначалу вправду увеличивались, но потом выходили на плато и падать совсем не вожделели. Озадаченные исследователи обнародовали свои результаты в 1970 году. «Мы с Фордом, естественно, знали о догадке черной материи, но, приступая к своим исследованиям, о ней не задумывались и совсем не планировали ее инспектировать, – ведает «Популярной механике» Вера Рубин. – Потому термин ‘черная материя’ в нашей первой публикации так и не появился».


Скоро Рубин и Форд переключились на другие проекты и только посреди 1970-х при помощи усовершенствованной аппаратуры обусловили скорости вращения еще 60 галактик. Кеплеровского рассредотачивания скоростей нигде не наблюдалось, и все графики в некий степени напоминали кривую, полученную для туманности Андромеды. Эти данные внушительно подтверждали догадку Цвикки. В 1990-х Вера Рубин за свои исследования удостоилась высшей научной заслуги США, Государственной медали науки, также золотой медали Царского астрономического общества Англии.


Сразу схожие результаты пришли и из других обсерваторий. Австралиец Кен Фриман тоже установил, что скорости вращения звезд и газа нескольких спиральных галактик не только лишь не сокращаются по мере удаления от центра, но даже время от времени несколько растут. Фриман пришел к этому выводу на основании анализа радиоастрономических наблюдений, другими словами совсем другим методом, ежели южноамериканские ученые; более того, он сходу представил, что в галактиках содержится огромное количество невидимой материи. В 1978 году подобные, но еще больше убедительные результаты опубликовал голландский радиоастроном Альберт Босма.


Галактическое гало


Теоретики тоже не дремали. В 1973 году янки Джеремия Острикер и канадец Джеймс Пиблс проявили, что плоские спиральные галактики, в том числе и наш Млечный Путь, сами по для себя должны деформироваться и разрушаться. В то же время из их расчетов следовало, что галактика становится размеренной, если ее опустить в сферическое скопление громоздкой материи много большего размера, чем поперечник галактики. Такое скопление, либо, как молвят астрологи, гало, своим тяготением держит в равновесии звезды и галактический газ и не дает галактике рассыпаться. Схожие идеи высказывали и другие ученые, в том числе эстонский астролог Ян Эйнасто.


К началу 1980-х годов практически все астрологи поверили, что галактики окружены сильными гало из невидимой материи (поначалу это было подтверждено для спиральных галактик и плоских галактик без спиральной структуры, а потом и для большинства эллиптических). Кандидатурой могло быть только предположение, что ньютоновскому закону тяготения требуются поправки, но такая точка зрения фактически не имела приверженцев.


Позднее выяснилось, что черные галактические гало не непременно имеют шарообразную форму, они могут быть существенно сплюснуты. Их толика в общем балансе галактической массы тоже непостоянна. Масса невидимого гало Млечного Пути, по всей вероятности, раз в 20 превосходит массу его светящегося вещества. Но для других галактик отношение этих масс может быть 5 к одному либо даже один к одному. Оказалось также, что не очень калоритные эллиптические галактики, светимость которых составляет порядка одной пятой светимости Млечного Пути, практически не содержат черной материи (почему это так – пока неясно).


За последние четверть века догадка сокрытой массы получила ряд подтверждений. Так как черная материя своим притяжением отклоняет световые лучи, с начала 1990-х годов ее отыскивают и находят при помощи гравитационного линзирования. Очередное подтверждение действительности ее существования было получено не так давно при помощи спектрального анализа галлактического реликтового излучения. Так что на данный момент уже никто не колеблется в том, что черная материя существует. Но что она собой представляет – пока непонятно. О догадках, пытающихся разъяснить (но пока не объяснивших) физическую природу черной материи, читайте в последующем номере нашего журнальчика.






Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments