25 - 29 июня 2001 года
Конференция
ГДЕ ВЗЯТЬ МАТЕРИЮ?
В течение недели с 25 по 29 июня 2001 года в Марселе прошла международная конференция, в которой приняли участие 200 человек, в том числе 140 докладчиков, темой которой был вопрос: "Где находится материя?" Также был подзаголовок:
Следование яркой и темной материи с помощью новых масштабных обследований
Перевод:
Карта оптически наблюдаемой материи и темной материи
с использованием новых средств масштабных наблюдений.
Эти слова имеют большое значение. Они сразу ставят эту конференцию в рамках определенного подхода. Предполагается, что Вселенная едина и имеет два компонента: один, доступный нашим средствам наблюдения (в диапазоне видимого, ультрафиолетового, инфракрасного излучения, другими словами, где проводятся наблюдения, основанные на электромагнитных волнах), и другой, который в настоящее время ускользает от такого типа исследования и описывается общим термином "темная материя", в английском "Dark Matter". Как проводить наблюдения, как картографировать эту темную материю? С одной стороны, основываясь на гравитационных линзах, которые, как правило, оказались слишком значительными, чтобы быть объясненными наличием только видимой материи, будь то галактики или скопления галактик, с другой стороны, исходя из кинетических параметров наблюдаемых объектов.
Даже до того, как были выявлены эти "аномально значительные" эффекты гравитационных линз, люди, такие как Фритц Цвикки, на основе анализа кривых вращения галактик или измерения скоростей хаотического движения галактик в скоплениях, заключили, что оптически обнаруженная материя не могла обеспечить связность этих структур. Под кривыми вращения подразумеваются измерения, выполненные на межзвездном газе, обращающемся в общем гравитационном поле, с использованием эффекта Доплера-Физо. Этот газ, очевидно, вращается слишком быстро, особенно на его периферии (наличие характерного "плато"). Скопления галактик сравниваются с "газовыми комками", в которых галактики являются "молекулами". "Собственные скорости" галактик, как их называют астрономы, становятся эквивалентом термических скоростей хаотического движения молекул газа, распределенных случайно во всех направлениях. Сохраняя аналогию с газом, комбинация "термических скоростей" и плотности дает то, что называется давлением (измерение плотности кинетической энергии хаотического движения на единицу объема). Облако межзвездного газа не рассеивается, потому что сила тяготения уравновешивает силы давления, стремящиеся его рассеять. Если принять скопление из тысячи галактик за своего рода газовый комок, можно также сказать, что силы давления, стремящиеся его рассеять, рассчитанные на основе измерений скоростей хаотического движения галактик и обнаруженной массы, слишком велики, чтобы быть уравновешенными силой тяготения. Рассуждая иначе, зная массу скопления, можно рассчитать скорость убегания. Как отметил Цвикки, индивидуальные скорости галактик превышают скорость убегания скопления, к которому они принадлежат. Если бы не существовала дополнительная сила, эти галактики давно бы покинули скопление. То же самое относится и к звездам в галактиках. Таким образом, проблема вполне реальна. Вопрос в интерпретации этого явления.
Единодушный ответ астрономов сейчас имеет название: "темная материя", хотя никто не смог указать, какова природа этой "темной материи". Но никто не сомневался в том, что наблюдаемые эффекты могут быть вызваны не чем иным, как наличием необнаруженного компонента с положительной массой, спокойно находящегося в нашем (единственном) мире. В этом контексте работы по "картированию невидимого" уже начались. Сначала говорили просто: "в этом скоплении галактик должна существовать определенная масса M, чтобы это скопление не взорвалось или, что то же самое, чтобы объяснить сильные эффекты гравитационных линз, которые оно создает (множественные изображения, галактики, находящиеся на заднем плане, искаженные, искажение, которое может доходить до их растяжения в виде дуг)". Позже астрофизики, такие как Альберт Босма, из лаборатории астрофизики Марселя, к которой я принадлежу, эмпирически добавили "оболочки" темной материи, неопределенной природы, чтобы "подогнать кривые вращения", что в английском языке означает действие, при котором с помощью этой эмпирической методики восстанавливаются законы скорости, соответствующие значениям, полученным из наблюдений. Таким образом, сейчас множество людей занимаются расчетом распределения материи в этих невидимых оболочках темной материи. Это называется "теориями нулевого порядка". Эта деятельность, не требующая специальных навыков, является чисто технической. Люди, занимающиеся ею, вовсе не стремятся предоставить информацию о природе этой "темной материи", которую они эмпирически картографируют, и тем более о процессах, которые привели к ее появлению в галактиках. Не зная ни природы, ни происхождения этого компонента, невозможно построить "галактическую динамику". На этой конференции я слышал американку, которая дала обзор моделей, в которых попытываются описать формирование галактик (из холодной темной материи, в английском "cold dark matter" или "CDM"). Все эти модели, конечно, основаны только на законе Ньютона (плюс огромный компьютер, который все это вычисляет). Они остаются мало убедительными в том смысле, что, какие бы начальные данные мы ни ввели, "протогалактики", образованные, обладают гораздо слишком маленькими угловыми моментами. Таким образом, один из вопросов, поднятых этими "новыми теоретиками" (закон Ньютона плюс большой компьютер), был: "откуда берется угловой момент галактик?" Мы находимся на уровне "теорий нулевого порядка", будь то карты или попытки моделирования.
С 1999 года астрофизики, такие как Янник Меллиер и Форт, за ними последовали около полудюжины команд в разных точках мира, произвели результаты шести лет работы, соответствующие обширной программе. Если бы в космосе присутствовала темная материя, особенно в скоплениях галактик, она создала бы эффекты гравитационных линз. В крайнем случае, это привело бы к почти калейдоскопическим изображениям, как показал телескоп Хаббла, где объекты, находящиеся на заднем плане скопления, взрываются в наборе множественных изображений, возможно, производя один или несколько гравитационных дуг.
Таким образом, становится понятно, что когда предполагаемые концентрации темной материи меньше, они вызывают простые искажения в изображениях галактик, придавая им дополнительную эллиптичность, просто в результате оптики, которая накладывается на их реальную эллиптичность. Меллиер, Форт и те, кто последовал за ними, разработали метод обработки изображений, в котором компьютер обнаруживает локальные анизотропии изображений (исходя из предположения, что в отсутствие эффекта гравитационных линз большие оси эллиптических изображений галактик должны быть распределены случайно). Затем метод позволяет восстановить распределение (3D) предполагаемой темной материи, которая могла бы создать такие изображения. В 1999 году Меллиер и Форт произвели фурор, опубликовав цветную перспективную картинку, представляющую распределение темной материи в части Вселенной, соответствующей участку неба, эквивалентному нескольким квадратным градусам.
Изображение было опубликовано в газете "Мир", а автор статьи, журналист Жан-Франсуа Огюрео, назвал: "Темная материя существует, потому что она отклоняет световые лучи".
Ссылка на эту статью
. В то время это казалось очень впечатляющим, обозначая начало "картирования невидимого". Но через год Форт (директор Института астрофизики Парижа, к которому также принадлежит Янник Меллиер) дал интервью журналу "Ciel et Espace" (июнь 2000 года), в котором упомянул некоторые проблемы, которые ранее оставались без внимания. Метод привел наших двух исследователей к определению двух особенно важных концентраций темной материи (5 × 1014 солнечных масс, эквивалентных тысяче галактик, масса, сравнимая с самыми крупными известными скоплениями: скоплением Девы или скоплением Кома). Но, странно, эти участки неба казались замечательно пустыми:
Такие результаты были очевидно неприятны, и вначале оба автора просто проигнорировали их, надеясь, что это может быть артефакт или новый тип скоплений, излучающих в определенных частотах. Поэтому были проведены новые наблюдения в ультрафиолетовом или инфракрасном диапазоне, которые ничего не дали. В конечном итоге Форт и Меллиер назвали эти объекты "темными скоплениями" (dark clusters), указав, что, возможно, речь идет о скоплениях, состоящих исключительно из экзотической материи, очень странной материи, которая, хотя и подвергается гравитационной нестабильности, обладает способностью притягивать только материю того же типа. В интервью 2000 года Форт говорил, что ему трудно поверить, что такой потенциальный колодец не притянул бы к себе несколько галактик, газ или какие-либо объекты, излучающие электромагнитные волны. Ниже приведен фрагмент интервью Форта.
Участник конференции июня 2001 года и выступающий с докладом ("Twin matter against dark matter") я был очень заинтересован в том, чтобы услышать Меллиера на этой встрече. Он начал с заявления, что полностью уверен в достоверности своей методики обработки данных. В этот момент он показал на экране 3D-карту, которая принесла ему полную страницу в "Мире" в 99 году, подтвердил идентификацию своих двух "темных скоплений" и добавил, что с тех пор он обнаружил третий объект такого же типа, также очень массивный. Когда я спросил его об этих объектах, он ответил мне публично следующим образом:
- Лично я не верю в эти темные скопления...
Было невозможно узнать больше, и я признаюсь, что этот ответ сильно меня озадачил. Либо его метод имеет случайные ошибки, которые до сих пор ускользнули от анализа, и может порождать артефакты (которые соответствовали бы этим очень озадачивающим объектам), либо он надежен, и существование этих трех объектов поднимает очень тревожный вопрос, на который нельзя ответить таким образом. Добавим, что с момента запуска телескопа, производящего наблюдения в рентгеновском диапазоне, оказалось, что скопления являются важными источниками с энергиями около 10 кэВ. Приписывая это излучение горячему водороду, это ставит температуру на уровне около ста миллионов градусов, что соответствует скорости хаотического движения 1400 км/с.
Сказал Меллиер: его темные скопления также не излучают рентгеновские лучи.
Объяснение такого поведения можно найти, просто перечитав подзаголовок этой конференции, который не оставляет места для другой интерпретации, кроме той, что связана с темной материей. Это поведение не является исключением в современной астрономии и астрофизике. Приведем пример. Знаменитый закон Хаббла, согласно которому красное смещение пропорционально расстоянию до источника, давно стал своего рода догмой. Все источники должны подчиняться этому закону, и те, которые случайно отказываются, будут "исключены". Известно, что Халтон Арп, настоящий препятствие для круговых рассуждений, утверждал, что идентифицировал множество "аномальных красных смещений". Поскольку, очевидно, он не хотел подчиняться и признавать, что эти "ошибочные" снимки были просто ошибками наблюдения, он в конечном итоге был запрещен коллегами (теми самыми, которые распределяют "время наблюдения") и перенесен в Нью-Йорк. Если бы конференция по этому вопросу проводилась, она могла бы касаться только "обследований", направленных на более точное определение "постоянной Хаббла". Любой труд, который указывает на анизотропию красного смещения или значительное изменение знаменитого закона для разных популяций объектов или квазипериодические колебания в определенном направлении, будет считаться тревожным отклонением или просто работой "не по теме".
Когда я решил представить доклад на этой конференции, моя коллега Эвгения Атанассула, исследователь CNRS, находящаяся в том же наблюдательном пункте в Марселе, встретила эту новость с недоумением, считая, что мои работы "не по теме". Это действительно способ видеть вещи, но я нахожу его довольно не научным (как и замечание Янника Меллиера о его собственных работах!). Поэтому не удивительно, что работы, которые мне разрешили представить на этой конференции, не вызвали особого интереса или критики: они были просто "не по теме". Во вторник, 26 июня 2001 года, имея 40 копий "длинной версии" моего доклада (43 страницы) и 30 экземпляров сокращенной версии (16 страниц), я решил попробовать еще раз, пришел в аудиторию, где проходила конференция, и разместил на столах, до начала первых сессий, семьдесят документов с надписью, сделанной красным карандашом на обложке: "take me, read me". Все они исчезли в рюкзаках участников конференции. Я не нашел ни одного, лежащего на полу или в корзине для мусора. Несмотря на новую попытку начать обсуждение, ни один из 200 участников конференции не связался со мной. В последующие дни мои выступления на сессиях полностью провалились. Давайте упомянем об этом. Вмешался выступающий, который провел "обследование" проблемы общего эффекта гравитационных линз, прежде чем его коллеги (включая Меллиера) представили свои самые последние результаты. Диалог:
-
Недавно все чаще говорят о возможном существовании в нашей Вселенной компонента с отрицательной энергией, отталкивающего с точки зрения гравитации. Рассматривали ли вы эффекты гравитационных линз, которые возникли бы от присутствия концентраций таких частиц? Тогда мы имели бы дело с "отрицательной линзой". Я лично описал такой тип явления в статье, опубликованной в 1995 году в Astrophysics and Space Science.
-
В этом случае это было бы промежутком в однородном распределении положительной энергии.
-
Нет, я не говорю об этом. Речь идет о рассмотрении эффектов, созданных объектами, обладающими отрицательной энергией.
-
То есть промежутки в положительной энергии...
Конец разговора с фоном, где зал полностью безразличен к проблеме. В конце концов я сказал участникам конференции:
- Мы находимся в июне 2001 года. Анализ эффектов гравитационных линз и связанная с ними картография приводит к непонятным объектам: "темным скоплениям". Динамика галактик "навязывает факт, что большая часть их массы находится в виде оболочки темной материи", которую никто не обнаруживает, и никто не может указать ни ее состав, ни происхождение. Все попытки идентификации этой темной материи в течение последних десяти лет закончились неудачами. Аналогичная ситуация с галактическими скоплениями, где соотношение необнаруженной материи к видимой достигает ста. Астрономы предсказывают существование черных дыр в миллион масс Солнца в центре каждой галактики, и никто их не наблюдает. Мы видели, во время этой конференции, что коллеги представляли нам постоянно улучшаемые изображения, описывающие Very Large Structure (VLS), структуру на больших масштабах Вселенной. Очевидно, изображение "пузырьков мыльных", соединенных, подтверждается год от года. Однако, как мы видели, самые продвинутые численные модели, основанные на CDM (Cold Dark Matter или холодной темной материи), производят филаментарный Вселенной, который, кажется, не имеет ничего общего с наблюдениями. Ниже представлена недавняя изображение, представленная на конференции.
Однако вы видели изображения, которые мы производили уже восемь лет:
и которые, на самом деле, соответствуют наблюдениям:
Каким образом оказывается абсолютно невозможно установить диалог между этими двумя течениями идей?
Полное молчание.
В то же время (июнь 2001 года) в Блоа проходила конференция, на которой теоретические физики задавались вопросом о природе нового космического компонента, названного одним из них "темной энергией". По словам некоторых, эта загадочная субстанция, обладающая свойством отталкивать материю через силу, названную "антигравитационной", представляет около 65% космического содержимого. Почему "антигравитационная"? Потому что накопление наблюдений, проведенных на сверхновых с очень большим красным смещением, кажется подтверждает замедленное ускорение космического расширения.
Этот объект получил несколько названий. Следует отметить, что в настоящее время, не в состоянии обнаружить существование своего объекта исследования, будь то экспериментально или наблюдательно, ученые производят... множество этикеток. Одно из предложенных названий:
Квинтэссенция
Это слово значимо. В самом деле, "квинтэссенция" - это "пятая сущность", "пятый элемент". Слово заимствовано из алхимии, которая основывалась на описании материи по четырем элементам: вода, огонь, воздух, земля. Вот и пятый. Наша теоретическая физика, кажется, вернулась в Средневековье. Но это не исключение. В эпоху, когда темнота распространяется, когда неясно, что есть что, ученые сходятся за разными знаменами. Астрофизики называют свою бандероль "темной материей", а теоретические физики больше всего доверяют "суперструнам". Поэтому не удивительно, что современные научные конференции похожи на собрания теологов, собравшихся вокруг систем организованных верований.
Текст нашей презентации на международной конференции "Где находится материя?".
Немного юмора в сторону