Люди науки
Яан Эльмарович Эйнасто
(к 80-летию со дня рождения)
Астроному Тартуской обсерватории в Эстонии Яану Эльмаровичу Эйнасто
принадлежат, по крайней мере, два крупнейших достижения в астрономической науке - открытие темной материи в галактиках (1974) и обнаружение ячеистой структуры Вселенной (1997). Исследования в этих областях науки активно продолжаются и развиваются в наши дни во всем мире. Вместе с изучением недавно открытой темной энергии они составляют передний край космологии XXI в.
Яан Эйнасто (родился 23 февраля 1929 г.) учился в знаменитом Тартуском университете, окончил его в 1952 г. и с
Член-корреспондент АН Эстонии Яан Эльмарович Эйнасто.
тех пор работает в Тартуской обсерватории им. В.Я. Струве. Его учителем был Григорий Григорьевич Кузмин (19171992), автор классических работ по звездной динамике, которые до сих пор высоко ценятся специалистами. Вероятно, от Г.Г. Кузмина он воспринял вкус к тонким физическим эффектам в динамике звездных систем. Многолетние исследования этих эффектов привели Яана Эльмаровича к представлению о темных гало (или коронах) галактик. До работ, выполненных им совместно с Э. Сааром и А. Каасиком, мы не знали, как велика наша Галактика по размеру и массе.
Измерение масс галактик - задача в астрономии очень трудная. Ее впервые удалось решить для гигантской спиральной галактики Туманность Андромеды, ближайшей соседки Млечного Пути. "Взвесил" Андромеду в 1918 г. 25-летний выпускник Московского университета Эрнст Карлович Эпик (1893-1985), родом из Эстонии, работавший тогда в Москве (позднее он вернулся в Тарту, где лучшим его учеником стал Г.Г. Кузмин, затем уехал в Германию, а потом в Северную Ирландию). Э.К. Эпик воспользовался только что полученными на Обсерватории Маунт Вилсон (Калифорния) спектрами Туманности Андромеды.
Остается только удивляться, как в течение 1918 г. журнал с этими данными оказался в Москве в столь смутное время и как оперативно Э.К. Эпик сумел сделать работу, да еще и представить ее на одном из московских семинаров. По наклону линий в спектре Андромеды он определил скорость вращения этой галактики, а затем предположил, что галактика как целое находится в равнове-
48
© Чернин А.Д.
Одна из множества спиральных галактик - М64 (NGC 4826) в Волосах Вероники (расстояние -17 млн. св. лет) - представляющая собой могучий вихрь межзвездного газа. Снимок сделан в феврале 2004 г. КТХ. Фото NASA.
сии под действием центробежных сил, порождаемых ее вращением, и сил тяготения, создаваемых массой самой галактики. При этом звезды движутся по круговым орбитам вокруг центра галактики. Это позволило дать оценку массы галактики: оказалось, что она составляет примерно 1011 М0.
Но это еще не вся масса галактики, а только масса той ее яркой центральной области, свет от которой улавливается телескопом и анализируется спектрометром. Строго говоря, Э.К. Эпик нашел светящуюся звездную массу Андромеды в пределах радиуса порядка 10 кпк от центра звездной системы. С этого и началась история "взвешивания" галактик. Затем были работы Фрица Цвикки (18981974), заметившего в 1933 г. невидимый избыток тяготеющей массы в скоплении галактик Кома, и модель Канна - Волтье 1959 г., указывавшая на дополнительную массу в Местной группе галактик, включающей в себя Млечный Путь и Туманность Андромеды.
А кульминация этой истории приходится на 1974 г., когда Я.Э. Эйнасто и его сотрудники опубликовали в журнале "Nature" статью "Динамическое указание на существование массивных корон галактик". Авторы привлекли наблюдательные данные о малых галактиках-спутниках, обращающихся вокруг самых крупных галактик. Движением карликовых спутников управляет полная масса, заключенная внутри их орбит, а эти орбиты выходят далеко за пределы видимого звездного тела крупной галактики, их радиусы в 5-10 раз больше радиуса звездной системы. Если так, то, следуя Э.К. Эпику, можно оценить полную массу галактики (видимую и невидимую). Оказалось, что полная масса в 5-10 раз больше массы всех звезд типичной крупной галактики. Причем дополнительная невидимая масса галактики образует протяженное гало вокруг звездной си-
стемы, которое в такое же число раз больше по размеру, чем сама звездная система.
Вскоре это открытие нашло прямое и убедительное подтверждение в работах американских астрономов Дж. Пиблса, Дж. Острайкера, В. Рубин и их соавторов. К середине 1980-х гг. представление о темных гало галактик стало общепринятым. Теперь мы знаем, что звездная система нашей Галактики действительно имеет радиус около 10 кпк и она погружена в темное гало, которое простирается от центра системы на 100-150 кпк. Темная масса Галактики приблизительно в 10 раз больше массы всех ее звезд. Примерно так же устроены Туманность Андромеды и все другие крупные галактики, а их темные короны - универсальный феномен природы.
Заполняющую гало галактик невидимую массу называют теперь темной материей. Ученые постепенно осознали, что ее носителями не могут быть протоны, нейтроны и электроны, то есть обычное вещество, из которого состоят звезды и планеты. Скорее всего, это массивные (в сотни раз тяжелее протона) неведомые ранее элементарные частицы, которые испытывают только гравитационное и электрослабое взаимодействие. Сейчас их поиски ведутся в ряде боль-
ших физических лабораторий. Есть надежда, что темные частицы обнаружат себя на Большом Адронном Коллайдере, когда эта гигантская экспериментальная установка начнет работать на полную мощность.
В общем балансе массы-энергии Вселенной на темную материю приходится 20-25%, на обычное вещество - не более 5%. Остальные 70-75% - темная энергия, загадочная антигравитирующая среда, открытая астрономами-наблюдателями в 1998-1999 гг. Она равномерно заполняет все пространство Вселенной и, вероятнее всего, описывается эйнштейновской космологической постоянной, введенной в физику еще в 1917 г. Разгадка физической природы темной материи и темной энергии - центральная задача всей фундаментальной физики и астрономии нового века.
Интересно, что темная энергия с ее антитяготением способна частично или даже полностью "компенсировать" тяготение темной материи и обычного вещества. Приведем только один пример, относящийся к нашему ближайшему галактическому окружению. На расстоянии примерно 1.5 Мпк от центра Местной группы тяготение ее темной материи и обычного вещества точно компенсируется антитяготением, создаваемым однородным фоном темной энергии. В результате на сфере такого радиуса нет ни тяготения, ни антитяготения. Внутри сферы нулевого тяготения преобладает тяготение, а вне ее - антитяготение. Отсюда ясно, в частности, что динамический метод
Скопление наиболее далеких галактик в созвездии Печи, некоторые из них находятся вблизи границ Вселенной. Яркие точки с лучиками - это сравнительно близкие звезды нашей Галактики, попавшие в поле зрения. Снимок сделан в августе 2005 г. KTX. Фото NASA.
оценки масс в духе Э.К. Эпика нуждается теперь в уточнении с учетом эффекта темной энергии, без этого оценка массы темной материи в системах галактик была бы заметно заниженной.
Обнаружение темной энергии во Вселенной заставляет заново взглянуть на старые и новые проблемы космологии. Среди них особенно интересен вопрос о самых крупных образованиях во Вселенной. Давно известно, что существуют большие скопления галактик, объединяющие тысячи галактик, подобных Млечному Пути. Есть также уплощенные образования - сверхскопления, в которые входит обычно несколько скоплений. Их размеры достигают сотен мегапарсек. Нередко в сверхскоплениях (а также вне их) наблюдаются цепочки галактик, вытянутые в плоскости сверхскопления -филаменты. Сверхскопления разделяют огромные "пустые" объемы размером 100-150 Мпк, где практически нет галактик, - это войды. Я.Э. Эйнасто первым обратил внимание на войды как на базовый элемент крупномасштабного устройства Вселенной. Академик Я.Б. Зельдович заметил важную роль сверхскоплений и войдов в физическом процессе формирования космических структур самого большого масштаба. Я.Б. Зельдович, Я.Э. Эйнасто и С.Ф. Шандарин (сотрудник Якова Борисовича) опубликовали в 1982 г. в журнале "Nature" статью "Гигантские войды во Вселенной", вызвавшую необычайно большое число откликов. Но это был только первый шаг к главной цели исследования, достижение которой потребовало еще 15 лет упорного труда. В итоге тщательного анализа наблюдательного материала, многочисленных дискуссий (временами весьма острых) с коллегами в разных странах, где активно работали группы энергичных космологов (космология стала к тому времени уже почти массовой професси-
Крупное скопление галактик Abell S0740 (слева) и на его фоне более близкая к нам красивая спиральная галактика ESO 325-G004 в созвездии Центавра. Они расположены в 463 млн. св. лет от Солнца. Снимок сделан в феврале 2006г. КТХ. Фото NASA.
ей), в 1997 г. в том же журнале появилась статья Я.Э. Эйнасто с соавторами "Периодичность масштаба 120 мегапарсек в трехмерном распределении сверхскоплений галактик".
Ключевое слово в заглавии статьи -периодичность. Авторы утверждали, что существует определенная регулярность и повторяемость в общем устройстве мира: сверхскопления, филаменты и войды складываются в некое подобие ячеистой структуры. Это какие-то гигантские трехмерные "кружева", в которых узор более или менее четко повторяется с шагом примерно 120 Мпк. Конечно, никакой строгой симметрии наподобие кристаллических решеток здесь нет, но характерный масштаб в 100-150 Мпк определенно просматривается. Ячеистая структура с ее квазипериодичностью - феномен самого крупного космического масштаба (см. стр. 2 обложки). На ячейках обрывается иерархия космических структур, распределение светящегося и темного вещества Вселенной оказывается в среднем однородным в масштабах 3001000 Мпк.
По этому поводу Я.Э. Эйнасто недавно сказал: "Пока неясно, станет ли открытие упорядоченности в строении мира научной революцией". За последние годы в космологии сделано немало для изучения самых крупных структур, во всяком случае новые результаты не противоречат концепции ячеистой структуры. Р
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.