Материю, которая невидима, не излучает и не поглощает свет, называют темной, она обнаруживается по создаваемой ею гравитации. Постепенно выяснилось, что темная материя присутствует во всех масштабах: от галактических до сверхскоплений галактик. По массе ее существенно больше, чем видимой материи, составляющей звезды, планеты, газ, пыль. Что представляет собой темная материя, до сих пор неизвестно. Возможно, это еще не открытые элементарные частицы или маломассивные черные дыры и гипотетические кротовые норы. Природа темной материи – одна из величайших загадок современной космологии. У открытия и исследования темной материи во Вселенной долгая история. Мысль о том, что может существовать материя, которую невозможно увидеть, владеет умами астрономов вот уже 85 лет. В настоящее время проблема темной материи представляет сущность всей астрофизики.
Первые идеи о том, что наша Галактика содержит, по меньшей мере, в два раза бóльшую массу, чем та, которую можно отнести к светящейся материи (звезды, газ), провозгласили в 1922 году. Я.Каптейн (1) и Дж.Джинс (2), а затем, позднее на десять лет, и Я. Оорт (3).
Ф.Цвикки (4) первым в 1933 году указал на то, что сумма масс видимых галактик в скоплении галактик в созвездии Волос Вероники существенно меньше общей массы этого скопления, производящей гравитационное поле. Суммарную массу можно определить, измерив напряженность общего гравитационного поля в этом скоплении. Напряженность можно вычислить, если из наблюдений известны скорости движения галактик и линейные размеры скопления. Ф.Цвикки пришел к выводу о том, что либо это скопление гравитационно не связано и является молодым, либо видимая материя не надежный проводник на пути определения массы.
В 1970 году К.Фримэн (5) пришел к заключению, что большие вращающиеся спиральные галактики окружены невидимыми дисковидными галó. В случае типичной спиральной галактики ее видимая часть простирается примерно на 50 тыс. св. лет от центра данной галактики. Однако облака атомного водорода движутся вокруг центра какой-либо галактики на расстоянии примерно 80 тыс. св. лет и более. Измерения показывают, что водородные облака движутся с очень большими скоростями вокруг центра галактики. Измерения скоростей облаков, находящихся на различных расстояниях от центра галактики, позволили сделать вывод о напряженности гравитационного поля на этих расстояниях и, следовательно, определить распределение масс, производящих такое поле. Поэтому мы вынуждены констатировать, что кроме светящегося ядра должно существовать темное гало из невидимой материи.
Позднее Я.Э.Эйнасто (6) исследовал распределение невидимой материи вокруг галактик даже на бóльших расстояниях, используя измерения движений малых галактик-спутников вокруг бóльших галактик, и получил аналогичный вывод о невидимых гало (Земля и Вселенная, 2009, № 4). В то время возможная физическая природа темной (скрытой) материи была абсолютна неизвестна. Насколько же мы продвинулись за последние 30 лет? Первый Симпозиум MAC, посвященный проблеме скрытой материи во Вселенной, состоялся в 1985 году. Дж.Корменди (7) и Г.Кнапп (8) в предисловии к трудам этого Симпозиума ("Proceedings of the IAU Symposium № 117") отметили, что: "впервые Международный астрономический союз созвал симпозиум по объектам совершенно неизвестной природы". К сожалению, сегодня мы должны повторить, что природа темной материи все еще неизвестна.
30 или даже 20 лет тому назад астрономы думали, что масса темной материи, преобладающая во Вселенной, определяет динамику Вселенной и кривизну трехмерного пространства. Сегодня мы знаем гораздо больше о скрытом секторе Вселенной. Наблюдение в пределах измерений температуры анизотропии в космическом микроволновом фоновом излучении (КМФ-излучение – это реликтовое излучение, появившееся сразу же после рождения Вселенной, оно несет важную информацию об эволюции Вселенной), информация о распространенности гелия и других легких элементов во Вселенной (образовались через пять минут после Большого взрыва в горячей плазме Вселенной) и образовании структуры во Вселенной указывают на то, что "нормальная" (то есть барионная) материя ответственна лишь за примерно 4% материального содержания Космоса. Звезды, планеты, газ, пыль и мы сами - все это состоит из барионной материи. Остальные 96% – "темный" сектор с примерно 23% темной материи и примерно 73% темной энергии. Мы знаем, что темная материя вызывает эффект гравитационного притяжения, как и обычная барионная материя. А темная энергия, реально преобладающая во Вселенной, вызывает эффект гравитационного отталкивания. Физическая природа темной энергии совершенно неизвестна.
На первый взгляд любая классификация, кроме хорошо известной барионной материи, напоминает пародию А. Аверченко (9): "История мадианитян (10) затерялась во мраке веков и неизвестна; тем не менее ученые различают в ней три отчетливых отдельных периода: первый, о котором ничего неизвестно, второй, о котором можно сказать то же самое, и третий, который следует за двумя первыми". Действительно, причина такой классификации связана с различными гравитационными эффектами, вызванными темной материей и темной энергией.
Один из самых простых вопросов, который можно задать о Вселенной, звучит так: "Из чего она сделана?" Этот вопрос приводит современных космологов в некоторое замешательство, и они отвечают на него, пожимая плечами. В масштабах столь малых, как наша Галактика, и столь больших, как видимая Вселенная, бóльшая часть массы Вселенной является скрытой и невидимой, и ее природа неизвестна.
Кроме методов исследования темной материи, названных выше, следует упомянуть также гравитационное влияние темной материи на распространение света от удаленных источников (гравитационное линзирование). Важные части информации поступают также из анализа КМФ-излучения и анализа процесса образования структуры Вселенной из малых начальных неоднородностей. Сила гравитации темной материи весьма существенна для процесса образования крупномасштабной структуры, то есть образования скоплений галактик и самих галактик. Развивая самосогласованный сценарий такого процесса, большинство космологов предпочитают тип темной материи, известный как холодная темная материя. Она называется холодной, так как в то время, когда гравитация темной материи становится важной для формирования структуры, скорости движения ее элементов были далеки от релятивистских, то есть намного меньше скорости света. Многие космологи убеждены в том, что холодная темная материя состоит из частиц, образовавшихся в раннем, горячем периоде эволюции Вселенной, но все еще существующих сегодня. Список возможных частиц-кандидатов, которые могут составлять темную материю, очень велик. Он состоит главным образом из гипотетических, все еще неведомых частиц, например аксионов или суперсимметричных реликтов (Земля и Вселенная, 2006, № 1, с. 37–49). Сейчас начаты прямые и косвенные эксперименты по их поиску. Прямое обнаружение темной материи, вероятно, уже доступно. Однако! Мы должны повторить: относительно физической природы темной материи мы, к сожалению, все еще находимся в потемках.
Кроме гипотетических неизвестных частиц, которые так важны для физики (и физиков!), имеются и другие кандидаты на включение в список подозреваемых в том, что темная материя состоит из них. Некоторые из них даже более экзотичны (и важны для науки!), чем неизвестные частицы. Среди них - релятивистские темные тела: первичные черные дыры и первичные кротовые норы.
Гипотеза о существовании первичных черных дыр также имеет долгую историю. Чтобы быть кандидатами на включение в список подозреваемых в том, что они составляют темную материю, черные дыры должны обладать довольно малыми массами, не более 0.5 М
.Такие черные мини-дыры не образуются в нынешней Вселенной. Если же мы обратимся к прошлой истории Вселенной, то легко заметим, что условия в самом начале расширения Вселенной, около 13 млрд лет назад, были благоприятны для образования черных мини-дыр. Действительно, вся материя тогда пребывала в состоянии ужасно высокой плотности, и никакого добавочного сжатия не требовалось. Фактически эта материя расширялась с очень высокой скоростью. Поэтому могла образоваться черная дыра, если скорость расширения в небольшом объеме была несколько ниже или если количество материи было несколько больше, чем в соседних объемах того же размера. Тогда гравитационные силы могли замедлить расширение в этом объеме и через некоторое время превратить его в сжатие, образуя черную мини-дыру. В 1961 году Я.Б.Зельдович (11) и я, а в 1971 году С. Хокинг (12) указали на такую возможность. Таким образом, мы приходим к выводу, что на ранних стадиях во Вселенной могли существовать крошечные черные дыры и что их массы могли быть меньше масс звезд. Какова же судьба этих объектов?
Эволюция крошечных черных дыр зависит от величины их масс. Черные мини-дыры излучают энергию посредством квантового механизма. Этот процесс абсолютно пренебрежимо мал для черных дыр с массой порядка звездной массы. Чем меньше масса черной дыры, тем больше квантовый выход излучения и тем быстрее происходит процесс преобразования массы черной дыры в энергию излучения. Крайне медленный процесс потери энергии черной дырой из-за квантового излучения известен как квантовое испарение (хокинговское испарение). Излучение энергии черными дырами с малой массой нельзя называть "испарением": это весьма значительное свечение. Во время этого свечения масса таких черных дыр уменьшается с постоянно возрастающей скоростью. Когда их масса падает до одного миллиона тонн, процесс излучения превращается во взрыв. Последние тысячи тонн взрываются за одну десятую долю секунды, высвобождая энергию, равную выделяемой при взрыве одного миллиона мегатонных водородных бомб. Вычисления показывают, что все первичные черные дыры, начальные массы которых были менее миллиарда тонн, полностью "испарились" к нашему времени. Более массивные черные дыры сохранились до наших дней. Можно ли обнаружить их астрономическими средствами, предполагая, что они действительно существуют во Вселенной?
Чтобы найти достаточно малые черные дыры, необходимо искать излучение их жестких квантов. Наблюдения таких квантов, идущих из Космоса, могли бы помочь в отождествлении первичных черных дыр. До сих пор не обнаружена ни одна из них. Мы можем лишь заключить, что число черных дыр с массой около миллиарда тонн не превышает одной тысячи на кубический световой год. Если бы их было больше, можно было бы обнаружить их суммарное излучение. Квантовое излучение массивных первичных черных дыр пренебрежимо малó, их можно считать кандидатами в объекты, составляющие темную материю.
В 1994 году П.Иванов, П.Насельский и я в Центре теоретической астрофизики (Дания) указали на эту возможность. В то время поступило сообщение об обнаружении микролинзирования звезд в Большом Магеллановом Облаке массивными компактными гало-объектами (МАСНО (13)) нашей Галактики с вероятными массами около 0.1 М. Среди других возможностей сделано предположение, что такими объектами могли быть черные дыры. Как мы подчеркнули выше, черные дыры с массами порядка 0.1 М могут иметь только изначальное происхождение. Следовательно, новое открытие дало добавочные аргументы в пользу возможности того, что холодная темная материя состоит из первичных черных дыр. Для образования первичных черных дыр массой 0.1 М необходимо существование флуктуаций гравитационного поля в ранней Вселенной. С другой стороны, флуктуации гравитационного поля на бóльших и меньших масштабах должны быть очень небольшими, чтобы соответствовать астрономическим наблюдениям. Согласно нашим вычислениям, такие условия возможны в начале расширения Вселенной. Холодная темная материя (или ее часть), вероятно, состоит из первичных черных дыр.
Теперь несколько слов о первичных кротовых норах. Согласно общей теории относительности, кротовая нора - сильно искривленное пространство в виде тоннеля, соединяющего две дыры (входа) в пространстве. Материя или излучение могут упасть в одну дыру, распространиться по тоннелю и выйти наружу из другой дыры, и наоборот. По одной из гипотез, первичные кротовые норы, вероятно, уже существовали в начале расширения Вселенной. Возможно, первичные кротовые норы сохранились после первых стадий расширения Вселенной. Хокинговское квантовое испарение не действует в таких объектах, благодаря чему они могут сохраняться в течение космологических промежутков времени, если не подвержены другим неустойчивостям. Не исключено, что некоторая часть холодной темной материи состоит из первичных кротовых нор.
Итак, вполне возможно, что темные объекты - первичные черные дыры и первичные кротовые норы - могут разрешить загадку темной материи. Насколько хороши или плохи эти теории, мы узнаем лишь тогда, когда станут известны результаты следующего поколения наблюдений, направленных на изучение холодной темной материи (прежде всего, с помощью космической обсерватории "Планк" (14)), а также других методов наблюдения. Будем надеяться, что наши гипотезы выдержат испытание временем.
Примечания
1. Якоб Каптейн (Jacobus Cornelius Kapteyn, 1851–1922) - выдающийся голландский астроном, известный своими исследованиями нашей Галактики и доказательством ее вращения (1904), подтвержденного впоследствии Б.Линдбладом и Я.Оортом. Согласно его модели, Галактика имеет форму чечевицы (линзы) и простирается на 40 тыс. св. лет, Солнце расположено на расстоянии 2 тыс. св. лет от ее центра. Позднее Р.Трюмплер оценил размеры Галактики в 100 тыс. св. лет, а расстояние Солнца от ее центра - в 30 тыс. св. лет.
2. Джеймс Джинс (James Hopgood Jeans, 1877–1946) - известный английский математик, физик, астроном и популяризатор науки. Приливная теория образования планет Солнечной системы изложена в его книгах "Проблемы космогонии и звездной динамики" и "Астрономия и космогония", опубликованных в 1919 году и 1928 году. Многие работы Джинса посвящены также теории внутреннего строения и эволюции звезд.
3. Ян Оорт (Jan Hendrik Oort, 1900–1992) - выдающийся голландский астроном. В 1927 году на основании своих исследований движения звезд он подтвердил теорию вращения Галактики. В 1970 году Оорт построил большой синтезирующий радиотелескоп в Вестерборке для интерферометрических наблюдений. В 1950 году выдвинул гипотезу об общем происхождении комет и существовании облака комет, подтвержденную впоследствии.
4. Фриц Цвикки (Fritz Zwicky, 1898–1974) - известный швейцарско-американский астрофизик и изобретатель. Известен своими многочисленными космологическими теориями, дающими и в наши дни глубокий взгляд на понимание Вселенной. Многие годы вел наблюдения в астрономических обсерваториях Маунт Вилсон и Маунт Паломар. В 1933 году он доказал существование невидимой темной материи. В 1937 году предположил, что скопления галактик могут действовать как гравитационные линзы.
5. Кеннет (Кен) Фримэн (Ken Freeman, род. в 1940 г.) - выдающийся австралийский астроном. С 1967 года работал в обсерватории Маунт Стромло Австралийского национального университета в Канберре. Исследовал проблемы образования и динамики галактик и шаровых скоплений, в частности темной материи в галактиках.
6. Ян Эльмарович Эйнасто (Jaan Einasto, род. в 1929 г.) - выдающийся эстонский астрофизик и космолог. До 1977 года работал в Тартуской астрономической обсерватории и до 1998 года - в обсерватории Эстонской академии наук в Тыравере. Исследовал образование структуры и эволюции Вселенной, открыл ее ячеистую структуру.
7. Джон Корменди (John Kormendy, род. в 1948 г.) - профессор астрономии Техасского университета в Остине (США). Научные интересы связаны с поиском черных дыр в ядрах галактик, фотографированием галактик с черными дырами, исследованиями темной материи, изучением эволюции галактической структуры.
8.Гиллиан Кнапп (Gillian Knapp) - профессор астрономии Университета штата Мэриленд (США). Ее научные интересы относятся к области физики углеродных звезд, изучению межзвездной среды (в том числе и внутри галактик), исследованиям структуры Галактики.
9. Аркадий Аверченко (1881-1925) - известный русский юморист. Цитата взята из начала его «Полной мировой истории журнала "Сатирикон"».
10. Мадианитяне-полукочевые племена, упоминаемые в Библии. Мадианитяне кочевали в Заиорданье вдоль границ Аравийской пустыни и на окраинах Моава и Эдома до пустынь Синая, контролируя торговые пути из Ханаана в Египет. В эпоху Судей после поражения в войне мадианитяне исчезли с политической и военной арены.
11. Яков Борисович Зельдович (1914–1987) - выдающийся советский физик, академик АН СССР. В 1964 году он и американский астрофизик Э.Солпитер первыми (независимо друг от друга) выдвинули предположение, что источниками колоссальной энергии квазаров служат аккреционные диски, охватывающие массивные черные дыры. В работах Зельдовича по космологии основное место занимала проблема образования крупномасштабной структуры Вселенной, он исследовал начальные стадии ее расширения. В сотрудничестве с Р.А.Сюняевым создал теорию рассеяния реликтового излучения на электронах и предсказал физическое явление – эффект Сюняева– Зельдовича.
12. Стивен Хокинг (Stephen William Hawking, род. в 1942 г.) - выдающийся английский физик-теоретик, профессор математики Кембриджского университета и многих других научных учреждений. Внес существенный вклад в космологию и квантовую теорию гравитации, в частности в связи с черными дырами. Он теоретически предсказал явление излучения из черных дыр, известное теперь как хокинговское излучение, сформулировал теоремы, связанные с сингулярностями в смысле общей теории относительности.
13. В международном проекте MACHO (MAssive Compact Halo Objects - массивные компактные объекты в гало) принимают участие ученые из обсерваторий Маунт Стромло и Сайдинг Спринг (Австралия), Центра астрофизики частиц Калифорнийского университета, институтов и лабораторий США. Главной задачей проекта является проверка гипотезы, утверждающей, что значительная часть темной материи в гало нашей Галактики состоит из таких объектов, как коричневые карлики или планеты.
14. Космическая обсерватория "Планк" ("Planck") запущена 14 мая 2009 года в рамках программы Европейского космического агентства Horizon-2000, это часть программы Cosmic Vision. Названа в честь выдающегося немецкого физика Макса Планка (1858-1947) - одного из творцов квантовой теории, лауреата Нобелевской премии 1918 года. Обсерватория будет строить изображения анизотропий поля космического фонового излучения всего неба с непревзойденными чувствительностью и угловым разрешением. С ее помощью надеются получить информацию, относящуюся к нескольким космологическим и астрофизическим проблемам, связанным с проверкой теорий ранней Вселенной и происхождения космической структуры.
Источник: "Земля и Вселенная", 2009, №5
