Модель темной материи

f120

Модель темной материи (dark matter).

...Выше уже упоминался впечатляющий список проблем, связанных, по крайней мере, с астрофизикой. Например, галактики вращаются слишком быстро. Измеренная масса слишком мала — в 3–5 раз — чтобы противостоять центробежной силе. Ситуация еще хуже для скоплений галактик. Проблема уже давняя, поскольку была впервые замечена Фрицем Цвикки десятки лет назад.

...Как выйти из положения? Следует ли пересмотреть закон Ньютона? Некоторые просто предложили, что галактики, скопления галактик и даже весь Вселенная могут содержать в себе массу (вносящую вклад в гравитационное поле), которая до сих пор ускользала от наблюдений. Что это могло быть? Например, слишком слабо излучающие звезды. Эти объекты получили название MACHO (massive compact halo objects — массивные компактные объекты в галактическом гало: область пространства галактики, находящаяся как внутри, так и за пределами «диска»). Метод обнаружения: затмение источников, расположенных на заднем плане, в основном звезд. Метод: вести наблюдение за огромным количеством звезд и выявлять снижения яркости, динамика которых отличается от колебаний переменных звезд.

Результаты: разочаровывающие.

...Другая гипотеза: «экзотические частицы», например, массивные нейтрино (обладающие небольшой массой). Однако до сих пор не было подтверждено наличие массы у нейтрино.

...Еще один кандидат, близкий астрофизику Франсуазе Комбс: холодный водород при очень низкой температуре, практически невидимый.

...Темная материя может объяснить сильные гравитационные линзы, связанные с галактиками и скоплениями галактик (гравитационные дуги). Многие считают эти эффекты «неопровержимым доказательством» существования невидимой материи.

...Теперь можно объяснить что угодно, просто удачно распределив темную материю по Вселенной. Это, таким образом, идеальная «ад-гок» теория. Некоторые даже не стремятся объяснить происхождение этого компонента, его природу, происхождение или динамику, довольствуясь лишь заявлением, что это новая астрономия, «где мы теперь картографируем невидимое». Некоторые группы работают над составлением карт распределения темной материи.

...Эта материя помогает объяснить крупномасштабную структуру Вселенной, тем самым «обосновывая» её. В других случаях распределение темной материи позволяет не только объяснить устойчивость галактик, но и форму их кривых вращения. Всё это публикуется обильно и без проблем (Astrophysical Journal, Astronomy and Astrophysics и др.). Здесь различают «холодную темную материю» и «горячую темную материю».

Поэтому некоторые предположения кажутся «допустимыми».

Вопрос космологической постоянной и возраста Вселенной.

Сначала определим её происхождение. Имея уравнение поля:

**S = **c T

...Эйнштейн сразу же попытался построить модель Вселенной (1917). Но поскольку он не знал, что она нестационарна, он стремился создать стационарную модель. Однако столкнулся с множеством проблем и поехал навестить французского математика Эли Картана, который сказал ему:

— Вы можете изменить ваше уравнение. Предлагаю:

**S = **c T - Lg ** **

где g — метрический тензор, а L — постоянная. Так уравнение останется тензорным, а ваше решение по-прежнему будет инвариантным при изменении координат.

— Но какова физическая интерпретация этой постоянной L?

— Это, мой дорогой, ваша проблема. Я — математик...

Из уравнения поля, при условии слабой кривизны и малых скоростей теплового движения по сравнению со скоростью света c, можно восстановить ньютоновскую динамику. При этом сила Ньютона получает поправочный член:

...Этот поправочный член оказался пропорциональным расстоянию. Обычно используется термин «отталкивающая сила вакуума» (или притягивающая, в зависимости от знака выбранной произвольной постоянной L).

...Отталкивающая сила вакуума была ключевым элементом, позволявшим стационарной Вселенной Эйнштейна находиться в равновесии (хотя и неустойчивом). Но вскоре:

— Открытие Эдвина Хаббла показало красное смещение z, интерпретируемое как общее движение расширения Вселенной (эффект Доплера). Таким образом, прощай, стационарная модель Вселенной.

— В то же время русский Фридман нашел нестационарные решения уравнения поля без космологической постоянной.

Раздосадованный, Эйнштейн ушел в палатку, сказав:

— Если бы я знал, что Вселенная нестационарна, я бы раньше, чем Фридман, нашел это решение!

...Космологическая постоянная затем почти забылась на десятилетия. Некоторые приводили аргументы в пользу её необходимого равенства нулю. Дело в том, что, опираясь на действия на очень больших расстояниях, она проявляла себя лишь с опозданием, когда характерный размер Вселенной R(t) достиг «достаточного значения».

...Измерения красного смещения, радиальных скоростей галактик позволяют калибровать закон Хаббла, который вытекает из решения уравнения поля и гласит:

Скорость удаления пропорциональна красному смещению z

Коэффициент пропорциональности называется постоянной Хаббла Ho.

...Небольшое отступление для тех, кто не знает. Атом в лаборатории, неподвижный относительно измерительного прибора, излучает, например, излучение с длиной волны l. Из-за эффекта Доплера тот же атом, движущийся, даст длину волны: l' = l + D l

Определяем:

| Dl |
|---|
| l |

Если D l положительно: источник удаляется — красное смещение.

Если D l отрицательно: источник приближается — «синее смещение».

Постоянная Хаббла также появляется в законе расширения R(t) во времени:

...Известно, что существует три модели Фридмана, различающиеся лишь описанием дальнейшей судьбы космоса.

На приведённой схеме, где мы якобы достаточно далеко от дальнейшего будущего Вселенной, три кривые совпадают.

...Таким образом, знание закона космологического расширения, постоянной Хаббла позволяет немедленно, в рамках этой модели (с нулевой космологической постоянной), вывести возраст Вселенной.

...Представим, что мы сделали мгновенную фотографию взрыва гранаты. Время экспозиции даст некоторую размытость объектов, что позволит оценить их скорость, и, изучив одну фотографию, вычислить момент начала взрыва. Космический взрыв, конечно, отличается от взрыва гранаты по своей динамике, поскольку гравитационная сила, замедляя расширение, постепенно замедляет его.

...Объекты космоса обладают собственными движениями, подобно молекулам газа, которые движутся с тепловым движением. Поэтому говорят о «космологическом жидкости» — «газе», молекулами которого являются галактики.

...Чтобы оценить постоянную Хаббла, необходимо проводить измерения на достаточно удалённых объектах, обладающих достаточно высокими скоростями, превышающими среднюю скорость теплового движения...