Темная материя и число ω: Сколько темной материи?

Т

Сколько темной материи?

Отношение фактической плотности к критической – крайне важное число. Эксперты по космологии обозначают его греческой буквой Ω. Будущее Вселенной зависит от того, достигает ли число Ω единицы. На первый взгляд наша оценка настоящей средней концентрации атомов в космосе предполагает, что Ω равна всего лишь 1/25 (либо 0,04), давая слово вечное расширение до огромных пределов. Но мы не должны через чур легкомысленно относиться к этому заключению. В конце XX в. мы пришли к пониманию, что во Вселенной имеется довольно много того, чего мы не видим, к примеру невидимая материя, состоящая преимущественно из так именуемого «чёрного вещества» малоизвестной природы. То, что светится, – галактики, звезды и сияющие тучи газа – это только малая и достаточно нетипичная часть того, что имеется в действительности, подобно тому как самыми заметными объектами на нашем земном небе являются облака, каковые в действительности всего лишь пар, клубящийся в куда более плотном прозрачном воздухе. Большая часть материи во Вселенной – главный источник числа Ω – не излучает ни света, ни инфракрасных лучей, ни радиоволн, ни каких-либо других видов излучения. Исходя из этого ее весьма тяжело найти.

Собранные В первую очередь разработки данной темы доказательства существования чёрной материи сейчас уже являются фактически неоспоримыми. По тому, как движутся звезды и галактики, возможно высказать предположение, что что-то невидимое оказывает на них гравитационное действие. Это аргумент того же типа, какой мы приводим, предполагая существование черной дыры, в то время, когда видим звезду, которая выглядит так, как будто бы обращается около невидимого компаньона. Такую же аргументацию применяли в XIX в., в то время, когда планета Нептун была обнаружена по причине того, что орбита Урана искажалась под действием притяжения более отдаленного невидимого объекта.

Сколько темной материи?

В нашей системе существует равновесие между тяготением, которое заставляет планеты падать на Солнце, и центробежной силой орбитального движения. Подобным же образом в более большом масштабе всей Галактики существует равновесие между тяготением, которое держит дружно, и разрушительным эффектом движения, который, если бы не действовало тяготение, разбросал бы звезды в стороны. О существовании чёрной материи возможно делать выводы, в силу того, что замечаемое нами движение выясняется удивительно стремительным – через чур стремительным, дабы быть уравновешенным притяжением видимых звезд и газа.

Сколько темной материи?

Мы знаем, как быстро Солнце обращается около центра Галактики. Мы можем вычислить скорость звезд и газовых туч в других галактиках. Эти скорости, особенно скорости «отщепенцев», вращающихся вдалеке от центра Галактики, дальше большинства других звезд, подозрительно высоки. Если бы внешний газ и звезды испытывали на себе лишь силу притяжения того, что мы видим, они бы уже покинули свои орбиты, как Нептун и Плутон покинули бы сферу влияния Солнца, если бы двигались так быстро, как Земля. Такие высокие замечаемые скорости говорят нам о том, что галактики окружает тяжелое невидимое гало: подобно тому как если бы Плутон двигался так же быстро, как Земля (но наряду с этим оставался на своей орбите), нам бы пришлось предположить существование тяжелой невидимой оболочки, располагающейся вне орбиты Земли, но в орбиты Плутона.

Если бы не существовало Большого количества чёрной материи, галактики были бы нестабильны и разлетелись на части. Прекрасные изображения дисков и спиралей являются то, что, в сущности, есть «светящимся осадком», который удерживают в гравитационной ловушке огромные скопления чёрных объектов, о природе которых мы знаем мало. Галактики на порядок больше и тяжелее, чем мы привыкли думать. Тот же самый аргумент применим и к большему масштабу, к целым скоплениям галактик, каковые в поперечнике занимают пара миллионов св. лет. Дабы удержать их совместно, требуется сила притяжения материи, которой должно быть раз в десять больше, чем мы видим.

 

Само собой разумеется, существует одно допущение, которое лежит в базе всех этих предположений о чёрной материи, то есть: мы думаем, что знаем силу притяжения, которую дают видимые нам объекты. Внутреннее движение в галактик и их скоплений по сравнению со скоростью света есть медленным, исходя из этого никаких релятивистских усложнений нет. Следовательно, мы закон обратных квадратов Ньютона, который показывает, что в случае, если расстояние между нами и какой-то массой возрастает в два раза, то сила притяжения делается в четыре раза не сильный. Кое-какие скептики смогут нам напомнить, что данный закон по-настоящему был проверен лишь в пределах нашей Нашей системы, и его приходится принимать на веру, в то время, когда речь заходит о масштабах в много миллионов раз громадных. В действительности на данный момент у нас имеется очень заманчивые данные, показывающие на то, что в масштабах всей Вселенной силу тяготения, быть может, перекрывает другая сила, которая вызывает отталкивание, а не притяжение.

 

Мы должны сохранять объективность (либо, по крайней мере, покинуть пространство для маневра), подходя к возможности того, что нашим представлениям о тяготении потребуется переоценка. В случае, если действующая на громадных расстояниях сила будет замечательнее, чем мы ожидаем, опираясь на закон обратных квадратов (т. е. если она не будет становиться в четыре раза не сильный при повышении расстояния вдвое), то будет абсолютно ясно, что вопрос о чёрной материи требуется пересмотреть. Но мы не должны отказываться от своей теории тяготения без борьбы. У нас может появиться искушение так поступить, если не найдется возможных кандидатов для чёрной материи. Однако вариантов возможно довольно много; лишь в случае, если все они окажутся несостоятельными, мы должны быть готовы к тому, дабы отвергнуть и Ньютона, и Эйнштейна.

 

Имеется и другие показатели, каковые говорят о наличии чёрной материи. Все перемещающееся под действием силы тяготения вещество, светящееся либо чёрное, отклоняет свет, исходя из этого скопления возможно «взвесить», изучив, как очень сильно они искажают лучи света, проходящие через них. Действительно, отклонение света звезд, которое Эддингтон и другие ученые замечали на протяжении полного солнечного затмения 1919 г., стало одной из первых весьма известных проверок ОТО (Общая теория относительности), которая принесла Эйнштейну мировую известность. Космический телескоп имени Хаббла сделал впечатляющие фотографии некоторых скоплений галактик, отстоящих от нас приблизительно на миллиард св. лет. На этих фотографиях мы можем видеть довольно много тусклых полос и арок. Любая из них – это далекая галактика, находящаяся многократно дальше самого скопления. Мы наблюдаем на нее через искажающую линзу. Простой узор на обоях выглядит искривленным, в случае, если взглянуть на него через искривленный кусок стекла. Скопление выступает в роли конкретно таковой «линзы», которая фокусирует проходящий через нее свет. Галактики, входящие в скопления, кроме того дружно слишком мало тяжелы, дабы создать такое искажение. Дабы существенно искривить свет и вызвать явное искажение изображений, находящихся сзади галактик, скопление должно быть в 10 раз тяжелее того, что мы видим. Эти огромные естественные линзы дают дополнительное преимущество астрономам, каковые интересуются эволюцией галактик, поскольку разрешают заметить весьма отдаленные галактики, каковые в противном случае были бы через чур тусклыми, дабы мы могли за ними замечать.

В действительности нет ничего необычного, что чёрная материя, имеющая массу в 10 раза больше того, что мы видим, есть основной гравитационной силой в космосе. Нет ничего немыслимого в чёрной материи как такой: по какой причине все во Вселенной должно светиться? Трудность задачи пребывает в том, дабы сузить перечень кандидатов на ее роль.

Об авторе