Чому небо темне. Як влаштований Всесвіт

У книзі розповідається про те, як упродовж кількох століть вчені намагалися з'ясувати, чому вночі темно. Виявляється, це питання пов'язане із найзагальнішим пристроєм нашого Всесвіту — з тим, кінцевий він у часі і в просторі чи нескінченний, чи розширюється він насправді і з чого складається. У книзі докладно обговорюються основні наглядові факти, що лежать в основі сучасної космології та історія їх відкриття.

Для всіх, хто цікавиться астрономією та космологією, — від старшокласників до фахівців в інших галузях науки.

Чому небо темне. Як влаштований Всесвіт

2.5. Прихована маса у Всесвіті

Усі наші хлопці час від часу вирушали до святого Грааля. Ця подорож займала кілька років. Виїхавши, вони довго блукали, блукаючи найсумліннішим чином, бо ніхто до ладу не знав, де знаходиться цей святий Грааль.

Прихована маса або, як її часто називають, темна матерія (надалі я використовуватиму ці терміни як синоніми, хоча це й не зовсім правильно) — це майже святий Грааль сучасної астрономії. Протягом кількох століть кожен поважаючий себе лицар вважав за свій обов'язок вирушити на пошуки чудодійної чаші. Так і з прихованою масою вже кілька десятиліть її активно шукають, але досі, незважаючи на величезну кількість непрямих свідчень її існування, вона однозначно не ідентифікована.

Слово «темна» не означає, що ця матерія і справді темна, воно просто означає, що матерія дуже слабко випромінює в оптичному діапазоні і досі її не вдалося побачити. Темна речовина поки що «прихована» від сучасних методів спостережень, і ми знаємо про її існування переважно за гравітаційним впливом цієїматерії на доступні спостереження об'єкти.

Формально кажучи, історія прихованої маси налічує не одне століття. Наприклад, у першій половині XIX століття було виявлено, що планета Уран рухається своєю орбітою трохи неправильно, в її русі присутні так звані обурення. Для пояснення цих неправильностей було висунуто припущення існування ще однієї планети Сонячної системи, яка своїм тяжінням обурює орбіту Урана. Француз Урбен Левер'є та англієць Джон Адаме майже одночасно вирішили задачу про передбачення властивостей і місце розташування нової планети, і в 1846 році ця планета (Нептун) була виявлена поблизу передбаченого місця. Приблизно в ці роки німецький астроном Фрідріх Бессель помітив легкі періодичні зміни координат найяскравішої зірки нічного неба — Сіріуса. Бессель припустив, що у Сіріуса є невидимий супутник, який пізніше був справді відкритий.

В обох прикладах було відкрито «темну матерію» — у першому випадку у міжпланетному просторі (нова планета), у другому випадку у міжзоряному просторі (новий тип зірок — білий карлик). Так і на великих масштабах прихована матерія, безперечно, буде відкрита та ототожнена, тим більше, що відомо вже багато кандидатів у те, чим вона може бути. Надалі мова піде про темну речовину на галактичних та міжгалактичних масштабах, тобто про речовину, що дає дуже великий внесок у повну густину Всесвіту.

Перше свідчення існування прихованої маси на позагалактичних масштабах було отримано у 1933 році Фріцем Цвіккі, який розглянув радіальні швидкості 8 галактик у скупченні Кома у сузір'ї Волосся Вероніки. Розкид швидкостей, що спостерігався, виявився дуже великим — близько 1000 км/с. З цього факту Цвіккі зробив висновок, що, якщо скупчення вЗагалом перебуває в рівновазі, тобто не стискається і не розлітається, його повна маса повинна бути приблизно в 400 разів більше, ніж зіркова маса галактик скупчення. (Цвіккі використав сильно завищене значення постійної Хаббла. При сучасному значенні цієї постійної перевищення маси становить

50 разів.) Цвіккі написав, що якщо цей результат буде підтверджений, то це означатиме дивний висновок — у скупченні присутня значна кількість темної матерії. Через три роки — 1936 року — американський астроном Сінклер Сміт отримав схожий результат для скупчення галактик у Діві (це найближче до Чумацького Шляху скупчення). Сміт зробив висновок, що в скупченні є багато міжгалактичної речовини. Ця речовина або однорідно розподілена в межах скупчення, або утворює гігантські хмари навколо галактик, що слабо світяться.

Минуло два десятки років, і темна матерія знову спливла, але вже зовсім в іншому контексті. У 1959 році Кан і Вольтьєр припустили, що зближення нашої Галактики та туманності Андромеди викликане силами взаємного тяжіння. Це дає можливість оцінити їхню сумарну масу, яка виявилася в кілька разів більшою, ніж сума індивідуальних мас. Кан і Вольтьєр зробили висновок, що ця недостатня матерія існує у вигляді гало з гарячого газу, що оточують галактики.

У 1960-1970-ті роки з'явилися технічні можливості для масового вимірювання протяжних кривих обертання галактик в оптиці та за спостереженнями в лінії HI (? = 21 см). (Радіолінія атомарного водню на 21 см є однією з найпопулярніших в астрономії. Випромінювання в цій лінії зумовлене надтонким розщепленням основного рівня енергії атома водню на два близькі підрівні. За інтенсивністю цієї лінії можна оцінювати розподіл і масу нейтральноговодню в галактиках, а за її профілем і за величиною доплерівського зміщення можна вивчати їх обертання.) Крім того, почали з'являтися і теоретичні аргументи на користь існування масивних невидимих гало, що оточують галактики. З цього часу прихована маса стає все більш популярною та всюдисущою — без її залучення зараз не пояснити ні властивостей окремих галактик, ні їх систем, ні великомасштабну структуру Всесвіту в цілому. Далі я спробую коротко підсумувати основні астрономічні свідчення існування темної матерії різних масштабах.