тёмная материя, тёмная энергия
25 - 29 июня 2001 года
Конгресс
ГДЕ НАХОДИТСЯ МАТЕРИЯ?
В период с 25 по 29 июня 2001 года в Марселе прошёл международный конгресс, в котором приняли участие двести человек, включая сто сорок докладчиков, темой которого стал вопрос «Где находится материя?». Кроме основной темы, был также указан подзаголовок:
Отслеживание светящейся и тёмной материи с помощью новых поколений крупномасштабных обзоров
Перевод:
Картирование видимой и тёмной материи с помощью новых средств крупномасштабных наблюдений.
Эти слова имеют большое значение. Они сразу ставят конгресс в определённый научный контекст. Предполагается, что Вселенная — единая, и состоит из двух компонентов: одна из них доступна нашим средствам наблюдения (в диапазоне видимого, ультрафиолетового, инфракрасного излучения, другими словами, в тех областях, где проводятся наблюдения с использованием электромагнитных волн), а другая, на данный момент, не поддаётся такому исследованию и описывается общим термином «тёмная материя» (на английском — dark matter). Как можно наблюдать, как можно картировать эту тёмную материю? С одной стороны — на основе гравитационных линз, которые, как правило, оказались слишком сильными, чтобы объяснить их исключительно наличием только видимой материи, будь то отдельные галактики или скопления галактик. С другой стороны — на основе кинематических параметров наблюдаемых объектов.
Даже до обнаружения «аномально сильных» гравитационных линз, учёные, такие как Фриц Цвикки, на основе анализа кривых вращения галактик или измерения скоростей движения галактик в скоплениях, уже делали вывод, что оптически наблюдаемая материя не может обеспечить устойчивость этих систем. Под кривыми вращения понимаются измерения, выполненные по газу межзвёздной среды, вращающемуся в гравитационном поле, с использованием эффекта Доплера-Физо. Этот газ, очевидно, вращался слишком быстро, особенно на периферии (присутствие характерного «плато»). Скопления галактик можно рассматривать как «скопления газа», где галактики играют роль «молекул». «Собственные скорости» галактик, как их называют астрономы, становятся аналогом тепловых скоростей молекул газа — случайно распределённых в разных направлениях. Сохраняя аналогию с газом, комбинация «тепловых скоростей» и плотности даёт то, что называется давлением (мерой плотности кинетической энергии хаотического движения, на единицу объёма). Облако межзвёздного газа не рассеивается, потому что сила тяготения уравновешивает силы давления, стремящиеся его рассеять. Если рассматривать скопление из тысячи галактик как своего рода «газовый сгусток», то можно сказать, что силы давления, стремящиеся его рассеять, рассчитанные на основе измерений скоростей движения галактик и массы, обнаруженной оптически, слишком велики, чтобы быть сбалансированными силой тяготения. Иначе говоря, зная массу скопления, можно рассчитать скорость убегания. Как отметил Цвикки, индивидуальные скорости галактик превышают скорость убегания для скопления, к которому они принадлежат. Если бы не действовала дополнительная сила, эти галактики давно уже покинули бы скопление. То же самое касается и звёзд внутри галактик. Проблема, таким образом, вполне реальна. Вопрос заключается в интерпретации этого явления.
Единодушный ответ астрономов на данный момент — «тёмная материя», хотя никто не смог указать, какова природа этой «тёмной материи». Но никто не сомневается в том, что наблюдаемые эффекты могут быть вызваны не чем иным, как наличием пока не наблюдаемого компонента с положительной массой, спокойно существующего в нашей (единственной) Вселенной. В этом контексте работы по «картированию невидимого» уже начались. Первоначально говорили лишь: «в этом скоплении галактик должна быть определённая масса M, чтобы скопление не разрушилось, или, что то же самое, чтобы объяснить сильные гравитационные линзы, которые оно создаёт (множественные изображения, искажённые изображения галактик на заднем плане, искажение, доходящее до растяжения в виде дуг)». Позже астрофизики, такие как Альберт Босма из лаборатории астрофизики Марселя, к которой я принадлежу, эмпирически добавили «оболочки» тёмной материи неуточнённой природы, чтобы «подогнать кривые вращения» — англоязычный термин, обозначающий попытку эмпирическим способом воспроизвести законы скорости, соответствующие наблюдаемым значениям. Сейчас целый ряд учёных полностью посвящают себя расчёту распределения материи в этих невидимых «оболочках» тёмной материи. Это называется «теории нулевого порядка». Эта деятельность, не требующая особых навыков, чисто техническая. Те, кто занимается ею, не стремятся дать никаких указаний на природу той «тёмной материи», которую они эмпирически картируют, и тем более — на процессы, породившие её присутствие в галактиках. Не зная ни природы, ни происхождения этого компонента, невозможно построить «динамику галактик». На указанном конгрессе я слышал, как одна американка представила обзор моделей, в которых пытаются описать формирование галактик (на основе холодной тёмной материи — «cold dark matter» или CDM). Все эти модели, разумеется, опираются исключительно на закон Ньютона (плюс огромный компьютер, обрабатывающий всё это). Они остаются малоправдоподобными, поскольку, каковы бы ни были начальные условия, получаемые «протогалактики» обладают слишком малым угловым моментом. Таким образом, один из вопросов, поставленных «новыми теоретиками» (закон Ньютона + мощный компьютер), звучал так: «Откуда берётся угловой момент галактик?» Мы находимся на уровне «теорий нулевого порядка», будь то картирование или попытки моделирования.
С 1999 года астрофизики, такие как Янник Меллие и Форт, последовавшие им полдюжины команд по всему миру, представили результаты шестилетней работы, соответствующей масштабной программе. Если в Вселенной присутствует тёмная материя, особенно в скоплениях галактик, она должна вызывать гравитационные линзы. В крайнем случае это приводит к почти калейдоскопическим изображениям, каких мы могли видеть с помощью телескопа «Хаббл», когда объекты на заднем плане скопления разрываются на множество изображений, порождая, возможно, одну или несколько гравитационных дуг.
Теперь понятно, что при меньшей концентрации тёмной материи возникают лишь небольшие искажения изображений галактик, придавая им дополнительную эллиптичность, что является простым оптическим эффектом, налагающимся на их настоящую эллиптичность. Меллие, Форт и те, кто последовал за ними, разработали метод обработки изображений, при котором компьютер обнаруживает локальные анизотропии изображений (исходя из предположения, что при отсутствии гравитационной линзы главные оси эллиптических изображений галактик должны распределяться случайно...