Тёмная материя гравитация космология астрофизика

Воспроизведение статьи из Le Monde от 17 марта 2000 года

Если тёмная материя искривляет путь света, значит, она существует

Искажение изображений далёких галактик доказывает существование огромных невидимых объектов. Уже несколько лет астрономы пытаются обнаружить тёмную материю (90% всей материи во Вселенной). Было выдвинуто множество гипотез, объясняющих природу этого вещества, которое ускользает от телескопов: массивные объекты (коричневые карлики) и элементарные частицы (нейтрино). Однако ни одна из них не подтвердилась. Поэтому предполагается, что эта материя может состоять из пока ещё не открытых теоретических частиц. Астрономы твёрдо убеждены: 90% материи Вселенной ускользают от телескопов. На снимках видны лишь галактики и миллиарды звёзд, их составляющих, тёмные или светящиеся туманности, рассеянные по небу, и гигантские всплески энергии, механизмы возникновения которых до конца не поняты (...). Благодаря достижениям техники открылись новые «окна» в инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-диапазонах. В последнее время астрономы начали изучать нейтрино — кратковременные частицы, которые, по мнению учёных, существенно вносят вклад в массу Вселенной. Но теоретики хорошо понимают, что, несмотря на это, основная часть Вселенной остаётся недоступной для астрономической науки, которая не может ограничиться лишь 10% доступного ей «опыта». Именно поэтому астрономы уже много лет стремятся обнаружить эту знаменитую тёмную материю — главный компонент нашей Вселенной. Группа Института астрофизики в Париже, объединившая французских астрономов (CEA Саклэ, Телескоп Канада-Франция-Гавайи (CFHT), Лаборатория космической астрономии в Марселе) и зарубежных учёных (Канада, Германия, США), недавно открыла новое окно в этот мир. Ещё до них, в этом же направлении работала британская команда под руководством Ричарда Эллиса (Кембридж и Калтех) и американская команда под руководством Тайсона (Bell Labs, Нью-Джерси), которые частично подтвердили эти результаты.

Как учёные смогли преодолеть невидимость и подтвердить существование тёмной материи? Используя принцип, согласно которому свет искривляется вблизи огромных масс (Солнце, галактические скопления) под действием гравитации. Эта гипотеза неоднократно проверялась. Но астрономы задались вопросом: может ли тот же эффект наблюдаться и в случае тёмной материи, которая, как предполагается, имеет низкую плотность, но огромные объёмы? Если это так, тёмная материя выдаст себя, несмотря на то, что её невозможно увидеть. «Космический астигматизм». «В 1991 году, поясняет Янник Меллье из Института астрофизики в Париже, теория предсказывала, что далёкие объекты, такие как галактики, из-за наличия крупных масс тёмной материи на пути их света могут слегка искажаться и представлять собой вытянутые эллипсы. Однако, по расчётам, этот эффект космического астигматизма был настолько слаб, что его обнаружение казалось почти невозможным. Кроме того, в то время у исследователей не было теоретической модели, позволявшей подтвердить возможные измерения, и не было камер с достаточной чувствительностью для их проведения». С тех пор была разработана камера CFH 12K, а канадец Людовик Ван Варбеке создал специальные инструменты обработки данных для этой научной программы. После пяти лет анализа около 200 000 далёких галактик, снятых телескопом Канада-Франция-Гавайи, учёные наконец достигли своей цели. На снимках неба, сделанных CFHT, после соответствующей обработки сегодня видны сотни мелких зеленоватых эллипсов — это и есть галактики. Можно ли на основании этого утверждать, что явление действительно вызвано гравитационным искривлением света, исходящего от галактик? «Безусловно, — отвечает Янник Меллье. При отсутствии материи на пути световых лучей — то есть без гравитационного эффекта — даже эллиптические галактики выглядят как маленькие круглые точки. В противном случае снимок заполнен мелкими эллипсами. Более того, гравитационный эффект имеет тенденцию упорядочивать расположение галактик, подобно тому, как магнит ориентирует железные опилки вдоль линий магнитного поля». Неизвестные частицы. Именно эти незаметные искажения и упорядоченность галактик позволяют утверждать, что свет был отклонён от своей траектории потоками разрежённой и невидимой материи. Материя, плотность которой низка (в отличие от плотности Солнца или галактических скоплений), но эффекты которой всё же ощутимы благодаря их огромной протяжённости — от 100 миллионов до миллиарда парсеков (1 парсек равен 3,36 световых лет). Для сравнения: наша галактика имеет максимальную длину всего 34 000 парсеков. Модель трёхмерной структуры, воссозданная французской командой на компьютере, поражает воображение. В своём пути к нам свет постоянно меняет направление вблизи этих нитей, образующих своего рода «голландский сыр» в пространстве. Эта структура рассказывает историю Вселенной и раскрывает условия её формирования. Ведь тёмная материя, скрывающаяся от наших глаз, не имеет той же природы (барионной), что и вещество, из которого состоят звёзды и мы сами. Согласно теоретикам, она состоит из пока ещё не открытых частиц — слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMPs), аксионов, суперсимметричных частиц и других. Новая дверь только что приоткрылась — астрономам предстоит войти в неё. В ближайшее время это произойдёт с запуском в течение двух лет новой камеры в 4 раза большей, чем текущая, — МегаКамеры, разработанной CEA Саклэ, на телескопе CFHT. В более отдалённом будущем планируется создание сети из сотни телескопов диаметром один метр и запуск американского спутника Snapsat, посвящённого взрывным звёздам (сверхновым), который также сможет обнаруживать эффекты тёмной материи.

Жан-Франсуа Огеро