Дмитрий Вибе: Грядёт просветление?

Одна из самых популярных тем в астрономии - тёмная материя. Но это не мешает специалистам постоянно оспаривать её наличие, чтобы оставить мир исключительно светлым.

Тёмное манит и завораживает. Темнота — друг молодёжи. Нас тьмы, и тьмы, и тьмы. В кино циничные остроумные Тёмные зачастую более симпатичны, чем правильные занудные Светлые. Несмотря на многочисленные астрофизические загадки, связанные со светящимся веществом, воображение сильнее волнует тёмная материя. Разбор нестыковок с излучением кажется не более чем уточнением уже известных деталей, темнота же обещает приоткрыть дверь в новую физику.

Неудивительно, что исследованиям тёмной материи (ТМ) посвящено огромное количество статей, публикуемых в профессиональной литературе. (Кстати, по-русски, наверное, правильнее говорить "тёмное вещество", однако Гугл даёт на порядок больше ссылок по запросу "тёмная материя", что есть калька с английского "dark matter".) Как можно исследовать то, что не светится, если единственный источник информации в астрономии — электромагнитное излучение? Да так же, как и многое другое, — по косвенным признакам.

Напомню вкратце суть проблемы. Основным фактором, двигающим предметы на больших масштабах, в нашей Вселенной является гравитация. Наблюдая за движением тел, можно делать выводы о гравитационном поле, в котором они движутся, и о массе, которая порождает это поле. Так вот, в целом ряде случаев гравитационное поле как будто бы есть, а источник его увидеть не удаётся. В частности, движение звёзд в галактиках и галактик в скоплениях происходит со скоростями, сильно не соответствующими распределению "светлого" вещества, которое можно наблюдать непосредственно. Отсюда и возникает предположение о наличии ещё и "тёмного" вещества, которое само не светится, но проявляет себя через гравитационное воздействие на светящиеся тела.

На существование тёмного вещества указывает несколько разных свидетельств, согласующихся между собой. Поэтому для отказа от предположения о тёмном веществе недостаточно найти иное объяснение, например, только движению звёзд в галактиках. Тем не менее попытки "закрыть" тёмное вещество не прекращаются. Только за последние десять дней появилось два крупных исследования, так или иначе "копающих" под ТМ.

Одно из них удостоилось даже пресс-релиза ESO. Кристиан Мони-Бидин из Университета Косепсьона (Чили) и его коллеги предприняли попытку определить содержание тёмного вещества в окрестностях Солнца. Если неведомая субстанция, тяготение которой заставляет быстрее двигаться периферийные звёзды, заполняет всю Галактику, логично ожидать, что она есть и где-то рядом с нами.

Правда, много её вблизи Солнца быть не должно; всё-таки существенные отклонения скоростей галактического вращения от кеплеровского начинаются гораздо дальше от центра Галактики. В окрестности же Солнца прежние оценки давали для плотности ТМ величину порядка 0.01 массы Солнца на кубический парсек — на порядок меньше, чем плотность "нормального" вещества. Эта величина, правда, отягощённая значительной погрешностью, вполне согласовывалась с моделями глобального распределения тёмного вещества по Галактике.

Мони-Бидин и его коллеги решили уточнить плотность тёмного вещества, измеряя движение звёзд на больших галактических высотах, вплоть до 4 кпс от диска. В этом случае и охват вертикального распределения тёмного вещества оказывается более полным, и кинематику звёзд проще интерпретировать, чем в диске. По итогам исследования выяснилось, что в пределах точности измерений плотность ТМ в окрестностях Солнца почти в десять раз уступает теоретическим предсказаниям, а может быть, и вообще равна нулю. Иными словами, движение звёзд в локальном объёме Галактики полностью согласуется с распределением видимого вещества.

Очень важные слова здесь — "в окрестностях Солнца". Результат чилийских астрономов в целом не решает проблему тёмного вещества, а усугубляет её. Возникла такая жизненная аналогия (некорректная, как все аналогии): вы смотрите по сторонам и видите большое количество яхт и дворцов. У вас возникает подозрение, что в стране много денег, настолько много, что часть их должна оказаться и в вашем кармане. Прямое исследование кармана не подтверждает это предположение — он трагически пуст. Однако яхты и дворцы от этого никуда не делись. Так и с тёмной материей — её отсутствие в ограниченном объёме Галактики не решает проблему плоской кривой вращения. Так что кричать "Ура-ура! Я знал, что тёмной материи не существует!" — пока рано.

Отсутствие или, по крайней мере, очень низкая плотность тёмной материи вблизи Солнца заставляет усомниться в перспективах обнаружения частиц ТМ на Земле. С другой стороны, возможный отрицательный результат этих поисков становится менее убедительным, ибо, судя по представленным результатам, не будет свидетельствовать в пользу отсутствия ТМ вообще, но лишь подтвердит её недостаток вблизи Солнца.

Вторая статья написана известным специалистом по звёздной динамике Павлом Кроупой. Она, по сути, не содержит новых результатов, а только обобщает то, что Кроупа говорил и писал на протяжении последних лет. Он выступает не только против ТМ как таковой, но и против её космологического воплощения — модели Lambda-CDM, в рамках которой сейчас объясняется происхождение структур во Вселенной. Эта модель успешно используется в объяснении различных наблюдательных данных, но наталкивается на противоречие, называемое проблемой отсутствующих спутников.

В современном варианте модель Lambda-CDM предсказывает, что крупные сгустки ТМ (гало), в которых "сидят" большие галактики, подобные Млечному Пути, должны быть окружены сотнями мелких сгустков ТМ (субгало), в которых (казалось бы) должны "сидеть" карликовые галактики-спутники. Так вот, вокруг Млечного Пути известных спутников на самом деле не сотни, а всего пара-тройка десятков. К тому же распределены они не сферически-симметрично, а в виде протяжённого блина, наклонённого к плоскости Млечного Пути.

Кроупа и его коллеги считают, что этот "диск спутников" (DoS, Disk of Satellites) возник не в момент образования Галактики, а несколько позже, в результате какого-то процесса, не связанного непосредственно с формированием структуры Галактики. Поэтому проблема отсутствующих спутников, считает Кроупа, существенно более серьёзна: карликовых галактик, предсказываемых моделью Lambda-CDM, не просто мало. Их вообще нет.

Интересно, что Кроупа постарался написать статью не в повествовательном стиле, типичном для астрономических статей, а с некоторой претензией на математическую строгость — с доказательством теоремы, гипотезами, кванторами, даже с диалогами. Однако мне показалось, что автор, весьма критически настроенный по отношению к оппонентам, сам допускает некоторую лёгкость в обращении с терминами.

Его главный тезис звучит так. Модель Lambda-CDM предсказывает, что вокруг нашей Галактики и вокруг других галактик должно быть очень много галактик-спутников. Этих спутников нет, а те, что есть, не подходят. На это ушло примерно тридцать страниц из пятидесяти: Кроупа обстоятельно доказывает, что спутники Млечного Пути и другие карликовые галактики относятся к однородному населению, которое не похоже на то, что должно было сформироваться в субгало тёмной материи. Предсказание модели не выполнено, значит, модель неверна.

Игра с терминами тут происходит такая. Модель Lambda-CDM предсказывает наличие субгало. Она, вообще говоря, не гарантирует, что в них образуются галактики. Кроупа же использует термины "субгало" и "карликовая галактика" чуть ли не как синонимы. Далее, он не различает формулировки "галактик нет" и "галактики не наблюдаются". Народ же сейчас пытается найти решение проблемы отсутствующих спутников, именно отвечая на вопросы: обязательно ли в субгало образуются галактики, и если да, то обязательно ли они обнаружимы современными средствами? Кроупа мельком упоминает эту возможность, но отбрасывает её, поскольку "нет известного механизма, который мог бы это устроить". Но "нет механизма" и "нет известного механизма" — тоже разные вещи.

Кроме того, мне кажется, что приписывание спутникам Млечного Пути какой-то иной, не космологической, природы не особенно усугубляет проблему отсутствующих спутников. Если нехватка исчисляется сотнями, не так важно, есть их пара десятков или нет вообще. Если вам нужно за что-то заплатить тысячу рублей, для вас не так уж критично, по-прежнему трагически пуст ваш карман или же в нём завалялись две десятирублёвые монетки. То есть проблема существует, и проблема очень серьёзная, но намного хуже модели Lambda-CDM от выводов Кроупы не становится.

Как я уже писал, на существование тёмной материи указывает несколько разных, но согласующихся между собой фактов. К сожалению, выходя за пределы проблемы карликовых галактик, Кроупа становится очень лаконичен, по сути, лишь констатируя (впрочем, с указанием источников), что все прочие проблемы можно решить вне стандартной космологии, например в рамках модифицированной ньютоновской динамики (МОНД).

Суть последней сводится к тому, что мы ошибочно экстраполируем закон всемирного тяготения, проверенный только на масштабах Солнечной системы, на галактические и межгалактические расстояния. "Лишняя" масса появляется потому, что мы применяем этот закон там, где он уже не действует. По МОНД сейчас публикуется достаточно много работ, но мне как астроному почему-то всё равно проще допустить, что в Космосе есть нечто, (пока) ненаблюдаемое, чем вносить коррективы в старого доброго Ньютона…