Для тех, кто все-таки сомневается в существовании темной материи, — картинка, где она «видна глазами». Это снимок «Хаббла» двух скоплений галактик Macs J0025.4-1222, пролетевших одно сквозь другое, с наложением поверх этого карты распределения горячего газа от рентгеновского телескопа «Чандра» (розовый цвет) и карты распределения массы по результатам гравитационного линзирования далеких галактик (синий цвет). Где находится основная масса обычного (барионного) вещества скопления? Не в звездах, а в газе (по крайней мере, его доля в пять раз больше звезд). Масса газа оценивается по интенсивности рентгеновского излучения — чем она выше, тем чаще сталкиваются частицы. Газ горячий, поэтому он прекрасно виден в рентгене. Что же там происходило? При пролете скоплений одно сквозь другое газ обоих скоплений неупруго провзаимодействовал, собрался в облако посередине и отстал от своих галактик. Повторим, это большая часть обычного вещества скоплений. А звезды галактик — меньшая часть обычного вещества — свободно пролетели мимо друг друга и продолжили свой путь. Но это лишь пятая часть массы. А где основная часть, показанная синим? Не там, где газ, а там, где звезды: т. е. основная масса, во много раз превышающая массу газа и в десятки раз — массу звезд, повела себя, как звезды, — ее облака свободно пролетели друг сквозь друга и также продолжили свой путь. Так может вести себя только та материя, которая не взаимодействует с обычным веществом и сама с собой, т. е. «темная» (термин «невидимая материя» был бы точней, но «темная» звучит лучше). Как получили карту распределения массы, показанную синим цветом? С помощью достаточно хорошо отработанной методики, которая называется «слабое гравитационное линзирование». Массивная гравитационная линза может растянуть изображение далекой галактики в длинную дугу — это случается, когда луч зрения на ту галактику проходит близко к центру скопления. Это сильное линзирование. Подобные дуги видны на снимках некоторых скоплений галактик, но распределение массы из дуг построить можно далеко не всегда. Под слабым линзированием подразумевают то, что изображения далеких («фоновых») галактик лишь немного вытягиваются перпендикулярно направлению к центру линзы. Одна галактика здесь погоды не делает, но их сотни — тут уже включаются и хорошо работают статистические методы. Если бы темной материи не было, то синий цвет (распределение массы) на этом снимке совпадал бы с розовым (распределение газа). Конечно, изначально вывод о существовании темной материи был сделан из совсем других наблюдений. Еще в 1933 году Фриц Цвикки, измерив скорости галактик в большом и сравнительно близком к нам скоплении Coma (созвездие Волосы Вероники), заявил, что массы имеющихся там звезд не хватает, чтобы объяснить разброс их скоростей — а без этой массы скопление с гарантией разлетелось бы (недостача более чем существенная — общая масса должна была быть в десятки раз больше). Позже начали систематически строить кривые вращения галактик — зависимость орбитальных скоростей звезд от расстояния до галактических центров. И снова она оказывалась не такой, как следовало бы из распределения массы видимого вещества в галактиках, — существенно больше, особенно на периферии. Значит, есть что-то еще, в несколько раз превышающее массу звезд и газа в галактиках.
Что бы это могло быть? Например, обыкновенные кирпичи. Как это ни комично, их в данном случае достаточно сложно обнаружить. Подошли бы, скажем, мелкие и крупные астероиды, планеты-сироты, мелкая галька… а вот пыль уже не подходит из-за того, что у нее слишком велик показатель общей площади поверхности на единицу массы и, соответственно, она не может оставаться невидимой из-за своей способности поглощать и переизлучать свет звезд. Нельзя ли как-нибудь иначе объяснить большие скорости движения галактик в скоплениях и звезд в галактиках? Это пытаются сделать уже многие десятки лет с помощью изобретения теорий модифицированной гравитации. Среди них так называемая MOND — модифицированная ньютоновская динамика: при очень слабом гравитационном поле ускорение тел меньше, чем положено по закону Ньютона. Формально таким способом можно объяснить эти неправильные скорости. Но объяснить картинку, приведенную выше, с помощью «подправленных» теорий тяготения невозможно. Для этого нужно было бы подправить не только силу тяготения, но и ее направление, чтобы вместо тяготеющего облака газа получить два тяготеющих центра в других местах (напомним, что масса звезд в галактиках во много раз меньше массы газа). Альтернативные теории гравитации предлагаются со времен Эйнштейна. Но классическая теория стоит как скала, будучи самой стройной. Альтернативные же теории нуждаются во всяких «подпорках» и валятся одна за другой при появлении новых данных. Впрочем, есть и гораздо более сильный аргумент в пользу реальности существования темной материи. Ведь все попытки обойтись без нее разбиваются о космологию, об историю ранней Вселенной. О нее же разбиваются и варианты темной материи типа кирпичей, астероидов и других объектов, сделанных из обычного (барионного) вещества. Валерий Рубаков, Борис Штерн
Universe (Вселенная)
Темная материя воочию
Что же там происходило? При пролете скоплений одно сквозь другое газ обоих скоплений неупруго провзаимодействовал, собрался в облако посередине и отстал от своих галактик. Повторим, это большая часть обычного вещества скоплений. А звезды галактик — меньшая часть обычного вещества — свободно пролетели мимо друг друга и продолжили свой путь. Но это лишь пятая часть массы. А где основная часть, показанная синим? Не там, где газ, а там, где звезды: т. е. основная масса, во много раз превышающая массу газа и в десятки раз — массу звезд, повела себя, как звезды, — ее облака свободно пролетели друг сквозь друга и также продолжили свой путь. Так может вести себя только та материя, которая не взаимодействует с обычным веществом и сама с собой, т. е. «темная» (термин «невидимая материя» был бы точней, но «темная» звучит лучше).
Как получили карту распределения массы, показанную синим цветом? С помощью достаточно хорошо отработанной методики, которая называется «слабое гравитационное линзирование». Массивная гравитационная линза может растянуть изображение далекой галактики в длинную дугу — это случается, когда луч зрения на ту галактику проходит близко к центру скопления. Это сильное линзирование. Подобные дуги видны на снимках некоторых скоплений галактик, но распределение массы из дуг построить можно далеко не всегда. Под слабым линзированием подразумевают то, что изображения далеких («фоновых») галактик лишь немного вытягиваются перпендикулярно направлению к центру линзы. Одна галактика здесь погоды не делает, но их сотни — тут уже включаются и хорошо работают статистические методы. Если бы темной материи не было, то синий цвет (распределение массы) на этом снимке совпадал бы с розовым (распределение газа).
Конечно, изначально вывод о существовании темной материи был сделан из совсем других наблюдений. Еще в 1933 году Фриц Цвикки, измерив скорости галактик в большом и сравнительно близком к нам скоплении Coma (созвездие Волосы Вероники), заявил, что массы имеющихся там звезд не хватает, чтобы объяснить разброс их скоростей — а без этой массы скопление с гарантией разлетелось бы (недостача более чем существенная — общая масса должна была быть в десятки раз больше). Позже начали систематически строить кривые вращения галактик — зависимость орбитальных скоростей звезд от расстояния до галактических центров. И снова она оказывалась не такой, как следовало бы из распределения массы видимого вещества в галактиках, — существенно больше, особенно на периферии. Значит, есть что-то еще, в несколько раз превышающее массу звезд и газа в галактиках.
Нельзя ли как-нибудь иначе объяснить большие скорости движения галактик в скоплениях и звезд в галактиках? Это пытаются сделать уже многие десятки лет с помощью изобретения теорий модифицированной гравитации. Среди них так называемая MOND — модифицированная ньютоновская динамика: при очень слабом гравитационном поле ускорение тел меньше, чем положено по закону Ньютона. Формально таким способом можно объяснить эти неправильные скорости. Но объяснить картинку, приведенную выше, с помощью «подправленных» теорий тяготения невозможно. Для этого нужно было бы подправить не только силу тяготения, но и ее направление, чтобы вместо тяготеющего облака газа получить два тяготеющих центра в других местах (напомним, что масса звезд в галактиках во много раз меньше массы газа).
Альтернативные теории гравитации предлагаются со времен Эйнштейна. Но классическая теория стоит как скала, будучи самой стройной. Альтернативные же теории нуждаются во всяких «подпорках» и валятся одна за другой при появлении новых данных.
Впрочем, есть и гораздо более сильный аргумент в пользу реальности существования темной материи. Ведь все попытки обойтись без нее разбиваются о космологию, об историю ранней Вселенной. О нее же разбиваются и варианты темной материи типа кирпичей, астероидов и других объектов, сделанных из обычного (барионного) вещества. Валерий Рубаков, Борис Штерн