|
Страница 1 из 2 Темная масса Скрытая (или темная) масса тоже не внезапно возникла в астрофизике. Выводы работы А. Фридмана (1922 г.), в которой он рассматривал разные варианты кривизны мира, касались дальнейшей судьбы Вселенной, которая зависит от средней плотности ее вещества. Вселенная может неограниченно расширяться; расширение может остановиться; его может сменить сжатие... Два последних варианта активно рассматривались астрофизиками, причем в 80-е годы в них было включено также невообразимо быстрое расширение Вселенной (так называемая инфляция), происшедшее в первые мгновения Большого Взрыва. Средняя плотность вещества во Вселенной в принципе поддавалась определению уже в середине XX века. Но получалось что-то странное. В 30-е годы астроном Ф. Цвикки изучал движение связанной группы галактик, каждая из которых движется настолько быстро, что должна была бы покинуть группу, так как их общее тяготение примерно в 10 раз меньше того, что могло бы их удержать. Тем не менее, они остаются в составе группы. Суммарную массу звезд, газа и пыли в галактиках ученые умеют определять. Она недостаточна. Оставалось предположить, что есть еще какая-то Темная Масса, что-то, чего астрономы не замечают. Но почему? Именно среднюю плотность вещества, включая Темную Массу, астрономы надеялись получить из новых наблюдений очень удаленных сверхновых, сопоставляя их с другими данными, полученными из наблюдений реликтового излучения.
Реликтовое излучение На явное несоответствие массы видимого вещества Вселенной его наблюдаемому движению указывает еще один экспериментальный результат. Это тот самый уникальный эффект, который в 1948 г. был предсказан Гамовым, а соответствующим инструментом космология обзавелась немного позже, в последней трети XX века. В российской науке его называют реликтовым излучением, в западной — микроволновым космическим фоновым излучением. За его открытие в 1965 г. астрофизики А. Пензиас и Р. Уилсон (США) были удостоены Нобелевской премии. Тогда тем, кто знаком с радиотехникой, было интересно узнать, что возможности снижения шума в принимаемом радиосигнале не беспредельны. Даже самые совершенные антенны вместе с полезным сигналом принимают небольшой шум, который, как оказалось, приходит сразу отовсюду. Его происхождение поняли далеко не сразу (экспериментаторы не любят читать теоретические статьи). Оказалось, что это... свет остатков вспышки Большого Взрыва. Когда-то он был почти таким же ярким, как свет Солнца, но шел со всех сторон. В течение 400 тысяч лет после Большого Взрыва среда оставалась настолько плотной и горячей, что была непрозрачной для собственного излучения. Наконец, когда из-за расширения температура упала до 4000 градусов, среда стала прозрачной, и излучение с температурой 4000К вырвалось на свободу. То же пространство окружает нас со всех сторон и сегодня, но оно настолько расширилось, что из-за красного смещения максимум излучения сместился с 0,7 мкм (оранжевый свет) до 1 мм (радиоволны), и воспринимается как радиошум, излучаемый телом с температурой, близкой к абсолютному нулю (2,7К). Реликтовое излучение стало особой темой космологии. Оно заменило когда-то существовавшее понятие эфира: скорость движения Солнечной системы, Земли или космического аппарата нельзя найти относительно вакуума, но можно определить относительно реликтового излучения. А нельзя ли по его неоднородностям определить, как было разбросано вещество в пространстве в мгновенье Большого Взрыва? Оказалось, что можно. Реликтовое излучение позволило выбрать из моделей Фридмана плоскую Вселенную. Для измерения понадобились приборы, способные уловить в нем ничтожные неоднородности в стотысячные доли градуса. Неоднородности фона по данным спутника WMAP показаны на рисунке вверху слева, а справа показано распределение неоднородностей по угловым размерам. Глубокий физический смысл этой диаграммы предсказал А.Д. Сахаров; поэтому ее называют "сахаровские колебания". Наблюдения показывают, что, во-первых, фон, в общем, достаточно однороден. Во-вторых, сахаровские колебания демонстрируют наличие таких неоднородностей, для образования которых "обычного" вещества было явно недостаточно. Что-то непонятное и массивное уже тогда присутствовало в рождающейся Вселенной. В мире четырех десятых процента Все звезды обращаются вокруг центра Галактики, которая имеет форму диска. Солнце со своими планетами завершает один оборот вокруг центра за 250 миллионов лет. Вокруг центра обращаются и шаровые звездные скопления, которые при этом периодически то поднимаются над плоскостью Галактики, то опускаются под нее. Опять-таки, суммарная масса звезд, газа и пыли в диске Галактики значительно меньше той массы, которая должна была бы объяснить и обращение звезд, и такое своеобразное движение шаровых скоплений. В связи с актуальностью новых космологических задач, астрономы со всей тщательностью взялись за ревизию существующих оценок массы Вселенной. Результат оказался ошеломляющим: все, что мы видим во Вселенной, — звезды, газ, пылевые скопления и почти открытые черные дыры — составляют всего... 0,4% ее массы. (А еще недавно предполагалось, что основная часть массы Вселенной сосредоточена в звездах.) Излучение дает еще 0,005%. С высокой вероятностью существуют относительно массивные, пока еще не открытые, несветящиеся объекты. Прежде всего, это межгалактические облака водорода, которые по ряду причин трудно обнаружить. На них-то и приходится основная масса обычного вещества, около массы Вселенной! Больше взять неоткуда. Эти 4% образует материя, состоящая из барионов, к классу которым относятся нейтроны и протоны. Электроны столь же многочисленны, как и протоны, но их масса на несколько порядков меньше. Барионная материя — это весь мир обычного вещества Вселенной. Опубликованные в 2003-04 гг. результаты новых исследований свойств реликтового излучения приборами спутника WMAP показали, что в общей сумме барионной и темной масс барионная материя занимает только 17%.
|
