«Модель» тёмной материи (dark matter).
...Выше уже приводился впечатляющий список проблем, связанных хотя бы с одной астрофизикой. Галактики, например, вращаются слишком быстро. Учтённая масса в 3–5 раз слишком мала, чтобы уравновесить центробежную силу. Ещё хуже ситуация со скоплениями галактик. Проблема давняя, поскольку впервые на неё указал Фриц Цвикки десятки лет назад.
...Как из этого выпутаться? Нужно ли пересматривать закон Ньютона? Некоторые попросту предположили, что галактики, скопления галактик и даже вся Вселенная могут содержать в себе массу (вносящую вклад в поле тяготения), которая до сих пор ускользала от наблюдения. О чём могла идти речь? Например, о звёздах со слишком малой светимостью. Для этих объектов нашли название: MACHOS (massive compact halo objects, то есть компактные массивные объекты, локализованные в гало галактик: в той части галактического пространства, что находится внутри и вне «диска»). Способ обнаружения: затмение источников, расположенных на заднем плане, прежде всего звёзд. Метод: вести наблюдение за очень большим числом звёзд и выявлять падения светимости, эволюция которых во времени отличалась бы от флуктуаций, соответствующих переменным звёздам.
Результаты: разочаровывающие.
...Другая гипотеза: «экзотические частицы», например массивные нейтрино (обладающие малой массой). Но до сих пор возможная масса нейтрино не выявлена.
...Другой кандидат, дорогой астрофизику Франсуазе Комб: холодный водород при очень низкой температуре, а значит, практически ненаблюдаемый.
...Такая тёмная материя позволила бы тогда объяснить сильные эффекты гравитационного линзирования, по-видимому связанные с галактиками и скоплениями галактик (гравитационные дуги). Многие считают эти эффекты «неопровержимым доказательством» существования этой необнаруженной материи.
...Тогда становится возможным объяснить что угодно и всё что угодно, ловко посыпая Вселенную тёмной материей в нужных местах. Стало быть, это теория совершенно ad hoc. Некоторые, впрочем, даже не заботятся об обосновании происхождения этого компонента, его природы, его источника и даже о описании его динамики, довольствуясь утверждением, что это новая астрономия, «где теперь картографируют невидимое». Работают коллективы, которые взялись составлять карты распределения тёмной материи.
...Она позволяет скрепить крупномасштабную структуру Вселенной и тем самым её «обосновать». В других местах получают распределение тёмной материи, которое позволяет обосновать не только связность галактик, но и вид их кривых вращения. Всё это обильно и без проблем публикуется (Astrophysical Journal, Astronomy and Astrophysics и т. д.). Там различают «холодную тёмную материю» и «горячую тёмную материю».
Некоторые спекуляции, таким образом, кажутся «законными».
Вопрос о космологической постоянной и возрасте Вселенной.
Сначала определим её происхождение. Вооружившись своим уравнением поля:
S = c T
...Эйнштейн тотчас попытался построить модель Вселенной (1917). Но поскольку он не знал, что она нестационарна, он попытался построить стационарную модель. Он натолкнулся тогда на множество проблем и отправился с визитом к французскому математику Эли Картану, который ему заявил:
— Ваше уравнение можно изменить. Предлагаю вам:
S = c T -Lg
где g — метрический тензор, а L — постоянная. Так уравнение остаётся тензорным, а ваше решение — по-прежнему инвариантным при замене координат.
— Но каков физический смысл этой постоянной L?
— Это, дорогой мой, ваша проблема. Я — математик.....
Исходя из уравнения поля, в предположении, где кривизна мала, а скорости теплового движения малы по сравнению со скоростью света c, можно вернуться к ньютоновской динамике. Сила Ньютона оказывается тогда наделённой поправочным членом:
...Этот поправочный член был, таким образом, пропорционален расстоянию. Обычно используется название «отталкивающая сила вакуума» (или притягивающая, всё зависит от знака, выбранного для этой произвольной постоянной L).
...Эта отталкивающая сила вакуума была краеугольным камнем, позволявшим стационарной вселенной Эйнштейна находиться в равновесии (впрочем, неустойчивом). Но очень скоро:
— Открытие Эдвина Хаббла сообщило о красном смещении z, отождествлённом с общим движением космического расширения (эффект Доплера). Итак, прощай модель стационарной вселенной.
— Русский Фридман в то же время выдал нестационарные решения уравнения поля, без космологической постоянной.
Недовольный Эйнштейн удалился под свою палатку со словами:
— Если бы я знал, что Вселенная нестационарна, я нашёл бы это раньше Фридмана!
...Эта космологическая постоянная тогда почти на десятилетия канула в забвение. Некоторые выдвигали доводы в пользу её необходимой нулевой величины. Дело в том, что, относясь к действиям на очень больших расстояниях, она давала ощутить своё действие лишь с запозданием, когда характерный размер R(t) Вселенной достиг «достаточной величины».
...Измерения красного смещения, радиальной скорости галактик позволяют откалибровать закон Хаббла, который следует из решения уравнения поля и попросту гласит:
Скорость убегания пропорциональна красному смещению z
Коэффициент пропорциональности называется постоянной Хаббла Ho.
....Отступление для тех, кто этого не знает. Атом в лаборатории, неподвижный относительно измерительного прибора, испускает, например, излучение, соответствующее длине волны l. Вследствие эффекта Доплера тот же атом в движении даст длину волны: l' = l + D l
Полагают:
| z = |
Если D l положительно: источник удаляется: красное смещение.
Если D l отрицательно, источник приближается: «синее смещение».
Постоянная Хаббла также фигурирует в законе расширения R(t) в зависимости от времени:
...Известно, что на самом деле существует три модели Фридмана, которые различаются лишь описанием, какое они дают далёкому будущему космоса.
На нижеследующей схеме, где предполагается, что мы «достаточно далеко» от этого далёкого будущего Вселенной, все три кривые сливаются.
...Итак, знание закона космического расширения, постоянной Хаббла позволяет тотчас, согласно этой модели (с нулевой космологической постоянной), вывести из него возраст Вселенной.
...Представим, что мы делаем мгновенный снимок взрыва гранаты. Время выдержки придало бы объектам некоторую размытость, что позволило бы оценить их скорость, а значит, рассматривая простую фотографию, вычислить момент, когда начался взрыв. Космический взрыв, конечно, отличается от взрыва гранаты своей динамикой, поскольку сила тяготения, тормозя расширение, постепенно замедляет его.
...Объекты космоса наделены собственными движениями, подобно молекулам газа, которые наделены движением теплового хаоса. Впрочем, говорят о «космологическом флюиде», «газе», молекулами которого были бы галактики.
...Чтобы можно было оценить постоянную Хаббла, нужно было, следовательно, опирать измерения на достаточно далёкие объекты, а значит, наделённые достаточно большими скоростями, чтобы они превышали среднее значение скорости хаотического движения галактики в её скоплении (порядка 500–1000 километров в секунду).
...Проблема оставалась в оценке расстояния. Увидеть галактику на снимке — одно, оценить её расстояние — другое. Для этого нужно знать её абсолютную величину, количество света, которое она должна испускать. Долгое время астрономы не сходились в оценке этой постоянной Хаббла (в этой области большим спорщиком был французский астроном де Вокулёр, работавший в США).
...Самые старые звёзды нашей собственной галактики принадлежат звёздным скоплениям, как, например, скопление Геркулеса. До сих пор астрономы все сходились в том, что их максимальный возраст — около 15 миллиардов лет (но некоторые доходили даже до 20 или даже 22....). Вся игра состояла тогда в том, чтобы подогнать оценку Ho, чтобы не слишком отходить от этого возраста самых старых звёзд.
...В 1993 году астрономы смогли с помощью космического телескопа «Хаббл» наблюдать цефеиды в чрезвычайно далёких галактиках (55 и 48 миллионов световых лет). Цефеида — эталон расстояния по преимуществу, поскольку предполагается, что известен закон, связывающий их период колебаний и количество света, которое они испускают, их абсолютную величину (закон Генриетты Ливитт, 1912). Измеряя с помощью телескопа их видимую величину, из этого выводят их расстояние.
...Измерения, выполненные на галактиках в 93–94 годах, разделили расстояние, которое до сих пор оценивали, почти на коэффициент два. В результате возраст Вселенной падал до 8 или 9 миллиардов лет, и она становилась... моложе звёзд, которые содержала. И журнал Nature в 1994 году заключил: «придётся вернуть модель в работу».
...С тех пор произошли два новых факта. Закон о цефеидах, чтобы быть пригодным к использованию, должен быть откалиброван. Если допустить, что существует связь между периодом этих переменных звёзд и их абсолютной величиной, количеством света, которое они испускают, всё же нужно располагать независимыми измерениями расстояний. Их даёт метод параллакса Бесселя. Тогда пользуются сезонным перемещением Земли вокруг Солнца, беря два диаметрально противоположных положения. Для данной, относительно близкой звезды на фоне очень далёких звёзд в два момента года мы получим два разных положения, соответствующих некоторому угловому расхождению Dq .
...У этого метода есть свои пределы. Чем дальше звезда, тем больше погрешность. Измерения расстояний недавно были перекалиброваны с использованием спутника Hipparcos. По словам специалистов, анализ данных, переданных спутником, привёл бы к пересмотру оценённых расстояний для цефеид, классически служащих для калибровки закона, причём их расстояние возрастает в 1,2–1,4 раза. Таким образом, галактики, в которых спутник «Хаббл» обнаружил цефеиды, были «не такими уж близкими», а значит, Вселенная «не такая уж молодая». Со своей стороны, те, кто оценивал возраст самых старых звёзд звёздных скоплений нашей галактики, приложили серьёзные усилия к понижению оценок, и «всё встаёт на свои места», считают некоторые.
Допустим...
...Другое «классическое» решение состоит, как это сделал Лашьез-Рей, в том, чтобы в спешке вытащить космологическую постоянную L из нафталина. Наделённая нужным знаком (отталкивающая сила вакуума), она имеет эффект нового разгона расширения:
Закон:
следовательно, перестаёт быть действительным или даёт более короткий возраст. На деле, через эту модель «с переменной геометрией» всегда можно выбрать значение L, которое подходит к любому значению возраста Вселенной, например к возрасту её самых старых звёзд. Некоторые дошли даже до того, что сказали, будто это попросту даёт измерение L.
...Спор, разделяющий астрономов по поводу возраста Вселенной, по-видимому, далёк от завершения. Между оптимистами, которые, опираясь на недавнюю перекалибровку цефеид, расширяют всю близкую Вселенную (как, например, расстояние до галактики Андромеды) и допускают переоценку в сторону понижения возраста самых старых звёзд, и алармистами, которые думают, что измерения Хаббла поднимают реальную проблему, какую позицию занять?
Позицию осторожного ожидания, без сомнения.
Содержание статьи Содержание раздела Наука Домашняя страница
Предыдущая страница Следующая страница
Назад к Путеводителю по наукам Число посещений этой страницы с 1 июля 2004 года: