СКРЫТАЯ МАССА. ЧТО ЭТО ТАКОЕ?
Член-корреспондент РАН Борис ШУСТОВ, директор Института астрономии РАН (Москва)
Идея скрытой массы состоит в том, что мы живем во Вселенной, в которой доминирует ненаблюдаемое нами вещество.
Природа этого вещества, по большей части, неясна и, может быть, весьма необычна. Идея скрытой массы большинством астрономов воспринимается как нечто непонятное, но бесспорно установленное.
Поскольку даже в научной литературе используются различные и не всегда согласующиеся определения этой ненаблюдаемой составляющей Вселенной и ее компонентов, я буду использовать наиболее логичные, с моей точки зрения, определения.
Скрытой массой (СМ, hidden mass) называют существующее во Вселенной, но ненаблюдаемое вещество. СМ состоит из двух, совершенно различных по природе компонентов: темного вещества (ТВ, dark matter) — вещества неизвестной природы, существование которого проявляется лишь косвенным образом — через гравитационные воздействия на различные объекты Вселенной, и барионного темного вещества (БТВ, baryonic dark matter) — обычного вещества, которое мы пока не можем наблюдать из-за ограниченных возможностей.
Физики и астрономы обсуждают очень широкий набор возможностей для объяснения физической природы носителей скрытой массы — от гипотетиче-
ских элементарных частиц до звезд-карликов и черных дыр. Массы кандидатов на эту роль различаются более чем на 70 порядков величины!
Главный вопрос при обсуждении темного вещества можно сформулировать просто: «что это такое?». До сих пор, несмотря на восьмидесятилетнюю историю вопроса и огромные усилия, затраченные на его решение, общепринятого и доказанного ответа нет. Ясно только, что его намного больше, чем барионного.
Барионное вещество — это самое обычное вещество, из которого состоим мы сами и наблюдаемый нами окружающий мир. Природа барионного вещества и многие его свойства изучены, в частности (если говорить об астрономических объектах) методами на-
' 1; Л • , # • ••
щ
Рис. 1. Фотометрическая кривая, т.е. распределение яркости по радиусу (верхняя панель) и кривая вращения галактики NGC 3198, полученная по наблюдениям нейтрального водорода на 21 см (нижняя панель). Кривая вращения разложена на три составляющие: диск — ожидаемая кривая вращения модели галактики, у которой распределение звезд по радиусу соответствует (пропорционально) распределению яркости (верхняя панель); газ — вклад газового компонента; гало — вклад ненаблюдаемого компонента — темного гало.
Рис. 2. Скопление галактик MACSJ1423.8+2404. Оптическое изображение (голубоватый цвет) получено Эбелингом на телескопе Subaru. Рентгеновское (красный цвет) получено Алленом и др. на космическом рентгеновском телескопе Chandra (NASA: For release: 05-18-04 Photo release #: 04-144).
блюдения. Мы наблюдаем это вещество во Вселенной с помощью разнообразных инструментов — прежде всего телескопов наземного и космического базирования, но все же его значительная доля (по-видимому, более половины!) пока еще скрыта от нас. Именно эту долю и называют барионным темным веществом. Здесь главный вопрос другой — где и в какой форме находится это самое темное барионное вещество?
В этой статье кратко расскажем о состоянии проблемы скрытой массы, о наметившихся в последние годы изменениях в подходе к ее решению, по крайней мере, в масштабах нашей Галактики и ее окрестностей. Особо подчеркнем роль внеатмосферных обсерваторий ультрафиолетового диапазона в обнаружении и раскрытии свойств пока еще скрытого от нас барионного вещества во Вселенной.
НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЕ СВИДЕТЕЛЬСТВА СУЩЕСТВОВАНИЯ СКРЫТОЙ МАССЫ
То, что часть окружающего нас мира скрыта от нас, несмотря на гигантский прогресс науки (а что-то будет скрыто всегда), — совершенно очевидное обще-
философское положение. Наиболее убедительными конкретными свидетельствами существования скрытой массы считаются: кинематика членов скоплений галактик; кривые вращения (дисковых) галактик; наблюдения рентгеновского излучения горячего газа в скоплениях галактик; наблюдения гравитационного микролинзирования.
К первой группе относятся исследования, выполненные знаменитым швейцарским астрономом Фрицем Цвикки, опубликованные еще в 1930-х годах. Цвикки измерил дисперсию скоростей галактик в скоплении Coma и оценил (динамическую) массу скопления из законов небесной механики. Он также оценил суммарную светимость галактик. Оказалось, что отношение массы к излучаемой энергии в 400 раз больше, чем для Солнца! К этому времени уже сложились основы физики звезд, согласно которым в нормальном звездном мире такого не могло быть. Поэтому Цвикки сделал вывод, что либо в скоплениях галактик, либо в пространстве между ними присутствует некий очень массивный компонент, который не светится, т.е. является «темным». Он и
Рис. 3. Эволюция спектра масс гало ТВ от возраста Вселенной примерно 108 лет (соответствует значению космологического фактора z=30) до нашей эпохи (z=0).
Рисунок адаптирован из H.-W. Rix 3/2009IMPRS Heidelberg Galaxies Block Course.
J0T 10» IQ* Ю1» iO" 10" 10« 10" 10"
Масса гало в единицах массы Солнца
удерживает галактики, движущиеся с огромными скоростями (дисперсия скоростей около 1000 км/c) в скоплении.
Измерения кривых вращения галактик, т.е. зависимости скорости вращения от расстояния до центра галактики, считается наиболее убедительным свидетельством существования скрытой массы в галактиках. Оказалось, что на большом протяжении линейная скорость вращения остается постоянной. На рис.1 показана кривая вращения галактики NGC 3198. Кривая вращения, полученная по наблюдениям HI на 21 см (нижняя панель), разложена на три составляющие. Кривая, помеченная как disk, — ожидаемая кривая вращения модели галактики, у которой распределение поверхностной плотности по радиусу соответствует (пропорционально) распределению поверхностной яркости. Газ в галактике также дает свой вклад в кривую вращения. Видно, что совместный вклад газа и звезд недостаточен для объяснения наблюдений кривой вращения. Приходится добавлять компонент (halo), состоящий из ненаблюдаемого темного вещества. На больших расстояниях от центра галактики вклад этого гало (иногда используют название «темное гало») является доминирующим.
Такая ситуация, т.е. существование массивного гало, характерна практически для всех спиральных галактик, для которых удалось пронаблюдать периферийные области (состоящие из нейтрального водорода). Похожая картина наблюдается и для карликовых неправильных галактик, и галактик с низкой поверхностной яркостью, хотя для последних степень концентрации темного вещества к центру может быть меньшей.
Скрытая масса, несомненно, присутствует в гигантских эллиптических галактиках, а также в богатых скоплениях галактик. Важнейшим инструментом
для изучения скрытой массы в этих объектах считаются наблюдения в них горячего газа, излучающего в рентгеновском диапазоне (рис. 2). Частицы газа, нагретого до температуры в десятки миллионов градусов, движутся с огромными скоростями, и чтобы удержать этот газ от разлета в окружающее пространство, нужна мощная сила гравитации. И снова, как и в исследованиях Цвикки, наблюдаемой массы существенно (в разы) недостаточно для удержания этого газа. Поскольку эти горячие газовые гало должны быть близки к гидростатическому равновесию, измерение распределений температуры по рентгеновским изображениям и спектрам дает возможность оценивать полное распределение массы. Как показывают результаты работ многих исследователей, во внутренних областях гигантских эллиптических галактик на расстояниях R<Re, где Re — эффективный радиус, доминирует обычное вещество, а темная материя составляет не более 20%, но при R>>Re доминирует уже темная материя.
Еще одним способом обнаружения скрытой массы являются наблюдения событий микролинзирования. Суть этого метода состоит в том, что гравитационное поле невидимого нам компактного тела, движущегося близ луча зрения между удаленным источником излучения (звездой из другой галактики, квазаром и т.д.) и наблюдателем, действует на излучение источника как линза, и при близком прохождении от луча зрения дает заметное усиление яркости источника — вспышку. Объекты, вызывающие микролинзирование, находятся недалеко от нас по сравнению с внегалактическими объектами. В связи с этим угловые скорости их движения, перпендикулярные лучу зрения наблюдателя, сравнительно велики. Поэтому эффект каждой микролинзы можно наблюдать всего несколько десятков суток. В мире проводится ряд экспериментов по обнаружению такого рода вспышек. Уже зарегистрированы многие тысячи таких событий.
Результаты наблюдений явлений микролинзирова-ния в эксперименте OGLE и других подобных проектах позволили предположить, что одним из компонентов скрытой массы являются маломассивные (массой не более нескольких десятых масс Солнца) звезды, возможно, коричневые карлики. По некоторым оценкам, количество таких маломассивных звезд в нашей Галактике превышает предсказываемое современной теорией происхождения и эволюции звезд. Однако есть и другие заключения. На основании анализа результатов эксперимента проведена проверка гипотезы о большом количестве (до 1012)
Рис. 4. Эволюция (плотности) ТВ в космологической симуляции Bolshoi. Распределение ТВ показано для моментов времени 500 млн и 2,2 млрд лет (верхний ряд) и 6 млрд и 13,7млрд лет (нижнийряд) после Большого взрыва. Размер области, приведенный на нашу эпоху — примерно 16x320 Мпс (16 Мпс — глубина области).
В этой области помещается около 100 крупных гало ТВ, в которых образуются
скопления галактик. Рисунок из публикации J.R. Primack (см. http://spectrum.ieee.org/aerospace/ astrophysics/the-cosmological-supercomputer)
маломассивных звезд (белых карликов) в гало нашей Галактики. Практически все неэкзотичные сценарии образования Галактики исключают такую возможность. Микролинзой может быть не только звезда или планета, но и сгусток ТВ (если сгустки такой массы могут существовать). В эксперименте OGLE наблюдалось около двух миллионов звезд Магеллановых облаков. Цель — пронаблюдать вспышки, вызванные эффектом микролинзи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.