Поимка темных материй

Американские астрономы утверждают, что им впервые удалось обнаружить на космических фотографиях четкий след экзотической формы вещества, которую принято называть темной материей

Американские астрономы утверждают, что им впервые удалось обнаружить на космических фотографиях четкий след экзотической формы вещества, которую принято называть темной материей. Если эта заявка выдержит последующие проверки, она, вне всякого сомнения, будет признана одним из крупнейших открытий нашего времени в области астрофизики и космологии.

Термин "темная материя" куда моложе стоящего за ним явления, которое известно уже почти три четверти века. В 1932 году голландский астроном Ян Оорт (Jan Oort) заметил, что звезды нашей Галактики движутся слишком быстро для того, чтобы взаимное притяжение не позволило им разлететься. Оорт предположил, что в Галактике есть еще какое-то вещество, которое своим тяготением удерживает звезды на их орбитах в галактическом диске. Отсюда следовало, что общая масса галактической материи намного превосходит суммарную массу звезд. Вскоре к таким же выводам независимо друг от друга пришли американские астрономы Фриц Цвикки (Fritz Zwicky) и Синклер Смит (Sinclair Smith), которые измеряли скорости галактик, входящих в скопления Волосы Вероники и Девы.

Чтобы объяснить этот парадокс, Цвикки предположил, что в состав галактик входит много несветящегося вещества, преимущественно пыли и газа. Его не удается обнаружить телескопическими наблюдениями, однако оно многократно увеличивает массу скопления. Так возникла гипотеза скрытой галактической массы неизвестной природы, источник которой позднее стали называть темной материей.

Долгое время проблема скрытой массы оставалась на периферии интересов астрономов. Многие специалисты полагали, что она решится сама собой, когда телескопы новых поколений дадут больше информации о строении галактик. Однако на рубеже шестидесятых и семидесятых годов прошлого века ситуация изменилась. Американские астрономы Вера Рубин (Vera Rubin) и Кент Форд (Kent Ford) обнаружили, что скорости звезд, входящих в спиральные галактики, гораздо медленнее убывают по мере увеличения расстояния до галактического центра, нежели положено по законам механики. Эту аберрацию в принципе можно было объяснить несоблюдением ньютоновского закона тяготения, но у столь радикальной интерпретации нашлось немного сторонников.

Восторжествовало мнение, что наблюдаемые с Земли звезды окружены невидимой материей, на долю которой приходится не менее 90% общей массы галактик. Тогда же принстонские астрофизики Джеремия Острикер (Jeremiah Ostriker) и Джеймс Пиблс (James Peebles) математически доказали, что без этой материи многие галактики просто оказались бы нестабильны. Тут уж стало очевидным, что проблема скрытой массы требует самого тщательного внимания.

За последние три десятилетия о скрытой массе узнали довольно много. Сейчас уже ясно, что ее не могут обеспечить одни лишь рассеянные в космическом пространстве частицы газа и пыли - их для этого попросту слишком мало. Какая-то часть скрытой массы может приходиться на слабо светящиеся или уже мертвые звезды, планеты, неактивные нейтронные звезды и даже черные дыры, однако и она относительно невелика. Большинство физиков полагает, что главным источником скрытой массы являются гипотетические массивные элементарные частицы, рожденные на самой ранней стадии образования Вселенной. Такие частицы не участвуют в сильных ядерных взаимодействиях и не несут электрических зарядов, а потому не излучают и не рассеивают фотонов. Друг с другом и с "обычными" частицами (протонами, нейтронами и электронами) они взаимодействуют только посредством слабых ядерных сил и гравитации. Их-то обычно и называют темной материей. Анализ спектров реликтового микроволнового излучения позволил предположить, что на ее долю приходится четвертая часть полной массы Вселенной - примерно вшестеро больше, чем на долю "обычной" материи. Остающиеся 70% массы Мироздания обеспечивает энергия вакуума (ее еще называют темной энергией).
Частицы темной материи в принципе можно зарегистрировать с помощью земных детекторов, но пока это никому не удавалось. Следовательно, остается космос. Тяготение темной материи искривляет световые лучи, идущие от далеких звезд к Земле, и при этом на время меняет их видимый блеск (рис. 1). Этот эффект гравитационного линзирования уже можно обнаружить. Идею такого поиска темной материи двадцать лет назад выдвинул профессор Принстонского университета Богдан Пачинский (Bohdan Paczynski), и с тех пор она осуществляется весьма активно. В ходе реализации этой исследовательской программы удалось добыть немало косвенных данных о существовании исполинских облаков темной материи, однако прямые доказательства ее реальности все же отсутствовали.

И вот теперь, судя по всему, такое доказательство появилось (насколько надежное - это уже другой вопрос). Оно получено объединенными усилиями ученых, использующих аппаратуру американской орбитальной рентгеновской обсерватории "Чандра", космического телескопа имени Хаббла, Очень Большого Телескопа (VLT) Южной Европейской обсерватории и находящегося на том же высокогорном плато в Чили телескопа "Магеллан". Они проанализировали снимки космического объекта 1Е0657-556 из южного созвездия Киля. Он представляет из себя пару близколежащих галактических скоплений, которые около ста миллионов лет назад испытали лобовое столкновение на встречной скорости 4700 км/с, а теперь мало-помалу удаляются друг от друга.

Астрономы и астрофизики сильно заинтересовались объектом 1Е0657-556 вскоре после его открытия в 1995 году. Вот уже шесть лет как за ним следит "Чандра", что само по себе показательно. Межзвездное пространство внутри этих скоплений заполнено газом, нагретым до десятков миллионов градусов, который очень сильно светит в рентгеновском диапазоне. Когда меньший по размеру кластер вошел в кластер-гигант, впереди меньшего возникла ударная волна, которая и разогрела этот газ до столь высоких температур. Ее фронт имеет характерную форму натянутого лука или пулевого наконечника, отсюда и неформальное название - скопление Пули (Bullet Cluster).

Этот избыток раскаленного газа и позволил выявить "подпись" темной материи. Звезды столкновения практически не почувствовали - по причине большой удаленности друг от друга. Облака темной материи тоже прошли друг через друга без задержки - из-за очень слабого взаимодействия своих частиц. А вот газовые начинки обоих кластеров затормозились друг о друга и отстали от прочего вещества. В результате темная материя оказалась "в голове" каждого кластера, а основная масса газа - "в хвосте". Вот эту асимметрию и позволили выявить оценки распределения масс скоплений, сделанные разными методами (в том числе гравитационным линзированием).

Однако это только начало. Еще не все специалисты согласны с интерпретацией, предложенной астрономом из Аризонского университета Дугом Клоувом (Doug Clowe) и его коллегами. Кроме того, новые данные все еще не содержат никакой информации о природе темной материи. Точнее, подтверждена основная гипотеза, что эта материя состоит из слабо взаимодействующих частиц, но вот каких именно, пока неясно. Так что работы - непочатый край.