Письма в ЖЭТФ, том 98, вып. 6, с. 394-407
© 2013 г. 25 сентября
ПО ИТОГАМ ПРОЕКТОВ РОССИЙСКОГО ФОНДА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Проект РФФИ # 10-02-00178
Темная энергия в системах галактик
А. Д. Чернин
Государственный астрономический институт им. Штернберга, МГУ им. Ломоносова,
119899 Москва, Россия
Поступила в редакцию 14 августа 2013 г.
Высокоточные наблюдательные данные Космического телескопа "Хаббл" (Н8Т) используются для изучения близких систем галактик. Основной результат - обнаружение темной энергии в группах, скоплениях и потоках галактик в пространственном масштабе ~ 1 — 10 Мпк. Найдено, что локальная плотность темной энергии в этих системах, определенная различными способами, близка по величине к глобальному значению, если не совпадает с ним точно. Построена теоретическая модель Ближней Вселенной, которая описывает Местную группу галактик с потоком разбегающихся от нее галактик-карликов. Ключевой физический параметр системы группа-поток - радиус нулевого тяготения, т.е. расстояние, на котором тяготение темной материи компенсируется антитяготением темной энергии. Модель предсказывает существование локальных областей пространства, в которых эйнштейновское антитяготение сильнее ньютоновского тяготения. По данным Н8Т обнаружено 6 таких областей. Ближайшая из них находится на расстоянии 1-3 Мпк от центра Млечного Пути. В ней сила антитяготения в несколько раз превосходит (по модулю) силу тяготения. В этих областях существуют квазирегулярные потоки разбегания галактик, которые ускоряются антитяготением темной энергии. Модель Ближней Вселенной масштаба групп галактик (~ 1 Мпк) может быть распространена на масштаб скоплений (~ 10Мпк). Системы галактик с ускоряющимися потоками разбегания - новый и, по-видимому, повсеместно распространенный класс метагалактических популяций. Главный отличительный признак этих систем -сильные динамические эффекты локальной темной энергии.
БО!: 10.7868/80370274X13180100
1. Введение. Темная материя и темная энергия -основные компоненты наблюдаемой Вселенной. Согласно астрономическим данным, впервые полученным в работах [1,2], на темную энергию приходится примерно 70% всей массы/энергии мира. Вклад темной материи - 26%. На обычное (барионное) вещество, из которого состоят звезды, Земля и все, что ней находится, остается около 4%. Эти данные находят надежное подтверждение (и некоторое уточнение) в новейших исследованиях с помощью космических аппаратов WMAP [3] и Planck [4]. Темная материя вместе с барионами образует космические структуры самых больших масштабов: галактики, их группы, скопления и сверхскопления. Эти системы, как и все тела природы, погружены в темную энергию. Последняя представляет собой идеально однородную
e-mail: chernin@sai.msu.ru
космическую среду постоянной плотности, заполняющую весь объем видимой Вселенной.
О существовании темной материи известно с середины 1930-х годов (см. исторический обзор [5] и цитируемые там оригинальные работы), когда она была обнаружена в гигантском скоплении галактик Кома. В 1950-е годы ее присутствие было замечено в Местной группе галактик. В 1973-79 гг. выяснилось, что темная материя образует протяженные невидимые гало (короны) вокруг изолированных галактик. Как полагают, темная материя состоит из нерелятивистских ("холодных") электрически нейтральных слабо взаимодействующих элементарных частиц, которые должны быть стабильными или по крайней мере долгоживущими на космологической шкале времен
10млрд лет). Не исключено, что их массы велики и приближаются к 1 ТэВ. Увидеть эти частицы в лабораторном эксперименте пока не удается. Что же
касается теории, то в стандартной модели микрофизики не существует подходящих кандидатов на эту роль.
Темная материя и темная энергия не излучают и не поглощают света, не рассеивают его. Они проявляют себя в наблюдениях только своим тяготением. Точнее, темная материя (вместе с барионами) создает тяготение, а темная энергия - антитяготение, всеобщее космическое отталкивание. Всемирное антитяготение было предсказано Эйнштейном в 1917 г. В предложенных им тогда уравнениях общей теории относительности (ОТО) оно описывается всего одной, и к тому же постоянной величиной - космологической константой Л. Возможное присутствие в природе эйнштейновского антитяготения учитывается в созданной Фридманом в 1922-24 гг. теории однородной расширяющейся Вселенной. Эта теория содержит космологическую константу в качестве эмпирической постоянной, подлежащей измерению в астрономических наблюдениях. Предсказание Эйнштейна нашло наблюдательное подтверждение в 1989-99 гг. [1, 2] (Нобелевская премия 2011 года). Оказалось, что антитяготение определенно присутствует в природе, причем оно сильнее тяготения в масштабе всей наблюдаемой Вселенной как целого. Преобладание антитяготения приводит к тому, что глобальное космологическое расширение происходит с ускорением: относительные скорости разбегающихся галактик возрастают со временем. Этот феномен ускоренного расширения и был обнаружен [1,2] на самых больших доступных наблюдениям расстояниях порядка 1000 мегапарсек (Мпк), вблизи горизонта мира.
В теории Эйнштейна антитяготение - универсальный физический фактор, действующий, вообще говоря, везде, где применима ОТО, во всех пространственных масштабах от глобальных космологических до микроскопических. Наблюдения [1,2] подтвердили космологические предсказания общей теории относительности, т.е. теорию однородной расширяющейся Вселенной Фридмана с отличной от нуля (и притом положительной) космологической константой. Модель применима в больших масштабах, где распределение галактик и их систем в пространстве является статистически однородным. Это расстояния, превышающие размер космологической "ячейки однородности", который оценивается в 100300 Мпк. На меньших расстояниях, < 100 Мпк, галактики и их системы располагаются в пространстве крайне неравномерно. Здесь требуются другая теория и другая модель, способная учитывать реальное пространственное распределение астрономических структур. Как и глобальная космология Фрид-
мана, локальная модель (в общих чертах она была намечена [6-8] в 2000-01 гг.) строится на основе ОТО с привлечением новейших астрономических данных. Ключевая роль в ней принадлежит динамическим эффектам темной энергии [9-12].
В настоящей статье, подготовленной по предложению редакции Писем в ЖЭТФ, дается краткий обзор новых результатов в изучении темной энергии в масштабах ~ 1 — 10 Мпк.
2. Модель Ближней Вселенной. В последние 10 лет произошел резкий прорыв в наблюдательных исследованиях ближнего объема Вселенной. Это стало возможным прежде всего благодаря Космическому телескопу "Хаббл" (НБТ), позволившему достичь небывалой до того точности (и массовости) определения расстояний до галактик. Подробнее всего в наблюдениях исследовано наше ближайшее галактическое окружение до расстояний 3Мпк [13-19]. К настоящему времени найдены и детально изучены практически все имеющиеся там галактики. Ближний объем не похож на Большую Вселенную: в нем нет ни однородности, ни космологического расширения.
2.1. Ближняя Вселенная. На расстоянии 0.8 Мпк от центра Галактики (Млечный Путь) находится гигантская галактика М31 (Туманность Андромеды), которая приближается к нашей Галактике со скоростью 110 км/с. Вокруг этих двух гигантов в объеме с поперечником в два Мпк наблюдается 50 галактик-карликов. Все вместе эти объекты составляют Местную группу галактик - гравитационно связанную систему с полной массой вещества (темная материя и барионы) М = (2—4) • 1012М0. Эта масса складывается главным образом из темной материи, сосредоточенной в протяженных невидимых гало галактик-гигантов. Вне группы на расстояниях от 1.5 до 3 Мпк от ее центра наблюдаются 24 маломассивные карликовые галактики. Все они без исключения движутся прочь от группы. Это Местный поток разбегания галактик. Такова даваемая наблюдателями [17] астрономическая картина Ближней Вселенной.
Здесь и ниже под Ближней Вселенной понимается местный объем поперечником в 6 Мпк вокруг барицентра пары Галактика-Андромеда. В этом объеме располагаются массивная Местная группа и "легкий" поток разбегания вокруг нее. Система группа-поток обладает, как мы увидим, определенной регулярностью и приближенной симметрией. Подобные ей структуры наблюдаются и вне Ближней Вселенной.
2.2. Наблюдения. Наблюдательной основой наших исследований служат высокоточные сведения о
галактиках до расстояний около 10Мпк, представленные в Каталоге близких галактик Караченцева [13,18] и работах [14-17,19]. В них содержатся, в частности, данные о скоростях и расстояниях около 200 галактик, которые изучались в наблюдениях на HST на протяжении в общей сложности 300 его орбитальных периодов, а также на БТА (шестиметровом телескопе САО РАН), радиотелескопе Аресибо Диск и других крупных инструментах. Точность измерения скоростей не хуже 1-5 км/с (в основном по радионаблюдениям в линии 21 см). Точность определения расстояний, измеренных по методу "вершины ветви красных гигантов", 8-12%. Это наивысшая точность определения скоростей и расстояний, достигнутая к настоящему времени во внегалактической астрономии.
Сведения о скоростях и расстояниях в Ближней Вселенной дают весьма полное представление как о пространственной, так и о фазовой структуре местной системы группа-поток. На заимствованной из работы [17] фазовой диаграмме (рис. 1) представлены галактики Ближней Вселенной с ради-
1.0 1.5 2.0 R (Мрс)
Рис. 1. Диаграмма скорость-расстояние для Местной группы галактик и потока вокруг нее. Каждая из точек соответствует галактике с измеренными значениями расстояния и скорости в системе отсчета, связанной с центром Местной группы [17]. В области группы (Я < (1.3—1.5) Мпк) преобладает тяготение, вне группы в области потока (Я > 1.5 Мпк) преобладает антитяготение
альными скоростями V и радиальными расстояниями Д, измеренными в системе барицентра Местной группы. На фазовой плоскости скорость-расстояние изображающие точки заполняют две четко различимые области. Первую из них, отвечающую расстояниям до 1-1.3 Мпк, занима
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.