Темна матерія у Всесвіті
Віра Рубін
Майже 90 відсотків речовини у Всесвіті є невидимою. Виявлення цієї темної матерії допоможе астрономам краще осягнути долю Всесвіту.
Про автора
Віра Рубін — штатний науковець факультету земного магнетизму Інституту Карнегі в Вашингтоні з 1965 р. Саме того року вона стала першою жінкою, котра отримала дозвіл на спостереження на Паломарській обсерваторії. Автор понад 200 статей про структуру Молочного Шляху, рухи всередині галактик і великомасштабні рухи у Всесвіті, вона в 1994 р. отримала наукову премію ім. Меллон Карнегі в університеті Діксона, а в 1996 р. — Золоту медаль Королівського астрономічного товариства. Президент Білл Клінтон у 1993 р. нагородив її Національною медаллю за наукові досягнення, а в 1995 р. призначив у Президентський комітет з присуджень Національної медалі за наукові досягнення.
Джерело: Світ Науки №2 (8) 2001. Спецвипуск: Величний Космос, с. 102—106.
Вміщено на Українському астрономічному порталі з дозволу Олександра Завадки, видавничий Дім «НАУТІЛУС»
ЗІТКНЕННЯ І ЗЛИТТЯ ГАЛАКТИК, відомих як Антени, чи NGС 4038/39, призводить до зоряного фейєрверка і породжує понад тисячу нових яскравих зоряних скупчень. Галактики отримали таку назву через свої довгі яскраві хвости, сформовані гравітаційними припливними силами при їх зближенні і схожі на вуса-антени комах.
Видно їх у Південній півкулі і знаходяться вони на відстані 63 мільйонів світлових років від Землі. Малюнок містить два зображення: ширококутне (ліворуч), отримане за допомогою наземного телескопа в Чилі, а детальніший вигляд (праворуч) — з Космічного телескопа ім. Габбла.
Уявімо собі таке: одної ночі ви раптом прокинулися, приходите до пам’яті, блимаєте очима, — навколо темнота, і у вас складається невиразна думка, що стоїте ви одні в темнющій печері. Спантеличені цими неприємними відчуттями, запитуєте себе: Де я? Яким є цей простір? Які його розміри?
Йдучи навпомацки у темноті, ви випадково натрапляєте на пачку відвологлих сірників. Запалюєте один сірник; він швидко спалахує, потім гасне, не встигнувши розгорітися. Ви пробуєте вдруге: і знову спалах, і зразу ж темрява. Але в цей момент ви зрозуміли, що можете мигцем побачити частину свого оточення. Наступне запалювання сірника дає відчуття неясних обрисів стінок вдалині. Інший спалах виявляє якісь дивні тіні, наводячи на думку про присутність тут великого об’єкта. Ще інший показує, що ви рухаєтесь, або навпаки — кімната рухається відносно вас. З кожним короткочасним спалахом дізнаєтесь трохи більше.
У певному сенсі ця ситуація нагадує наше складне становище на Землі. Сьогодні, як це робилося століттями, ми уважно вдивляємося у нічне небо з нашого земного пункту спостережень і ставимо собі запитання: де ми є в цьому глибокому і глухому космосі? Крупинки світла дають нам деякі відомості про великі об’єкти в просторі. А те, що ми зауважили їх рухи і видимі тіні, говорить нам, що там є іще набагато більше чогось, чого ще не можемо бачити.
З кожного фотона, призбираного з найдальших околиць Всесвіту, ми намагаємось отримати максимум інформації. Астрономія аналізує світло, що приходить на Землю з небес. Наша задача — не тільки зібрати якомога більше світла за допомогою наземних і космічних телескопів, але й використати все побачене на небі, аби краще збагнути те, чого ми ще не можемо бачити, але добре знаємо, що воно мусить там бути.
На основі 50-річного накопичення даних про рухи галактик і розширення Всесвіту більшість астрономів вважає, що майже 90 відсотків речовини, яка складає Всесвіт, — це невидимі об’єкти чи частинки. Іншими словами: більша частина матерії Всесвіту не випромінює — не дає світла, яке можна було б зареєструвати в електромагнітному діапазоні спектра. Вперше постульована близько 60 років тому астрономом Фріцом Цвіккі так звана матерія, якої бракує, на думку вчених, знаходиться в скупченнях галактик. Сьогодні ми називаємо цей брак маси «темною матерією» — на означення того, що це є брак світла від матерії, а не самої матерії.
Астрономи і фізики пропонують різні пояснення для цієї темної матерії. З одного боку, це могла би бути просто звичайна речовина, така, як дуже слабенькі зорі, великі або малі чорні діри, холодний газ чи пил, розсіяні по Всесвіту, — все, що випромінює або відбиває занадто мало радіації для виявлення її нашими інструментами. Вони могли би бути навіть класом темних об’єктів, які називають МАКОГ (МАсивні Компактні Об’єкти Гало; в англомовній літературі — МАСНО від МАssive Соmpact НаloObjects), які ховаються в гало, що оточують галактики або їх скупчення. З іншого боку, темна матерія може бути представлена у формі екзотичних невідомих частинок, які ми навіть не уявляємо як спостерігати. Фізики будують теорії, що пояснюють існування цих частинок, хоч експериментальне це ще не підтверджено. Третій варіант: наше розуміння гравітації потребує суттєвого перегляду, але більшість фізиків не розглядає цього всерйоз.
У певному сенсі наше незнання властивостей темної матерії нерозривно пов’язане з іншими невирішеними проблемами космології: яку масу має Всесвіт; як сформувалися галактики; чи буде Всесвіт завжди розширюватись, а чи зміниться розширення стисканням. Темна матерія є настільки важливою для нашого розуміння розміру, вигляду й остаточної долі Всесвіту, що її вивчення, правдоподібно, домінуватиме в астрономії наступні кілька десятиліть.
Спостерігаючи невидиме
Збагнути природу того, чого не можна побачити, складно, але можливо. Нічого дивного; астрономи вивчають нині темну матерію за її впливом на світну матерію, яку ми спостерігаємо. Так, коли ми спостерігаємо дрижання сусідньої зорі, та на основі розрахунків впевнено робимо висновок, що навколо неї обертається «темна планета». Застосовуючи подібні принципи до спіральних галактик, доходимо висновку про присутність темної матерії, оскільки вона пояснює рухи зір усередині цих галактик, що не мають іншого пояснення.
Коли ми вивчаємо орбіти зір і хмар газу при їх обертанні навколо центру галактики, виявляємо, що вони рухаються надто швидко. Ці неочікувано високі швидкості сигналізують нам про дещо більше гравітаційне притягання, ніж те, яке створює видима матерія галактики. З детальних вимірювань швидкості випливає, що значна кількість невидимої матерії створює гравітаційну силу, яка і втримує ці зорі та хмари газу на високошвидкісних орбітах. Доходимо висновку: темна матерія розподілена всюди в галактиці, сягаючи за видимий край галактики та виступаючи над і під плоским диском, що світиться. Для грубого наближення спробуємо уявити собі типову спіральну галактику, подібну до нашого Молочного Шляху як відносно плоский світний диск, вміщений у сферичне гало невидимої речовини, що майже цілком нагадує дуже дифузну хмару.
Дивлячись на окрему галактику, астрономи бачать усередині галактичного радіуса (в межах відстані 50000 світлових років від центру) приблизно тільки одну десяту від повної гравітаційної маси, необхідної для пояснення швидкості обертання зір навколо галактичного центру.
Намагаючись знайти кількість і розподіл темної матерії в скупченнях галактик, астрономи, котрі спостерігають у рентгенівському діапазоні, виявили, що галактики всередині скупчень ширяють у дуже розсіяних хмарах газу з температурою 100 мільйонів градусів — газу, який щедро випромінює у важкому для реєстрації діапазоні енергій. Вони навчилися використовувати температуру та об’єм рентгенівського газу майже так само, як астрономи оптичного діапазону використовують швидкості зір в окремій галактиці. В обох випадках дані подають інформацію про природу і місцезнаходження невидимої матерії.
У скупченнях галактик об’єм області рентгенівського газу та його температура дають нам змогу оцінити кількість гравітуючої маси в межах радіуса скупчення, який становить майже 100 мільйонів світлових років. У типовому випадку, якщо ми складемо разом масу речовини, що світиться, і гарячого рентгенівського газу, то отримаємо 20—30 відсотків від усієї гравітуючої маси. Решта, яка є темною матерією, залишається неспостережуваною сучасними приладами.
ВЕЛИКА МАГЕЛЛАНОВА ХМАРА, одна з найближчих галактик-супутників Молочного Шляху, знаходиться на відстані 180000 світлових років від Землі. Подібно до інших малих галактик-супутників Хмара врешті-решт зіллється з Молочним Шляхом і стане одним із її будівельних блоків. Коли ми дивимось на Хмару з Землі, темні об’єкти в гало Молочного Шляху підсилюють яскравість деяких її зір внаслідок гравітаційного лінзування, тим самим даючи інформацію про присутність темної матерії в гало нашої Галактики.
Недавно з’явилися більш витончені методи виявлення невидимої матерії. Один з таких методів вдало використовує виявлення кілець або арок навколо скупчень галактик. Ці «кільця Ейнштейна» є наслідком ефекту, відомого як гравітаційне лінзування, — викривлення траєкторії мимобіжних променів світла гравітаційним полем масивного об’єкта. Наприклад, коли скупчення галактик є на промені зору до дальшої галактики, що знаходиться поза ним, тоді гравітація скупчення викривляє траєкторії світлових променів, які йдуть од віддаленої галактики, створюючи кільця або арки залежно від геометрії (взаємних положень галактики, скупчення і спостерігача, а також розподілу мас у скупченні. — Прим. перекладача). Цікаво, що ближчі скупчення працюють як природні телескопи, відхиляючи промені так, що вони потрапляють у наш приймач, а без них ці промені пройшли б далеко від нас у космічному просторі. Одного прекрасного дня ми зможемо використати ці природні телескопи для огляду більш віддалених об’єктів Всесвіту.
Використовуючи комп’ютерні моделі, можна розрахувати масу скупчення на шляху променя, оцінити кількість невидимої матерії, що повинна б там бути, аби створити спостережуване геометричне відхилення. Такі розрахунки підтверджують: скупчення мають набагато більшу масу, ніж та, яка є у світної матерії.
Навіть компактні темні об’єкти в нашій Галактиці можуть гравітаційно лінзувати світло. Коли об’єкт переднього фону закриває зорю дальнього фону, світло від неї буде сфокусоване в тонке кільце, яскравість якого значно перевищує звичайний блиск цієї зорі. Як наслідок — ми спостерігаємо спочатку збільшення, а відтак зменшення яскравості зорідальнього фону. Уважно аналізуючи варіації світла, можна оцінити масу темного об’єкта переднього фону.
Де є темна матерія?
Кожної ночі кілька груп астрономів шукають близькі явища лінзування, обумовлені невидимими МАКОГ у гало нашого Молочного Шляху, їх пошук покриває мільйон зір у Магелланових Хмарах і в Туманності Андромеди (М31). Врешті-решт цей пошук дасть обмеження на кількість темної матерії, яка присутня в гало нашої Галактики.
ВИГЛЯД ВНУТРІШНЬОЇ ЧАСТИНИ НАШОЇ ГАЛАКТИКИ показаний тут у променях ближньої інфрачервоної області. Дані отримано телескопом DIRBE (Diffuse Infrared Background Experiment — Експеримент дифузний інфрачервоний фон), який є частиною космічної програми СОВЕ (Соsmic Background Explorer — Дослідник космічного фону) Національного управління з аеронавтики і космосу США. Оглядаючи Молочний Шлях (його центральну частину і довколишній диск) зсередини диска Галактики, DIRBE реєстрував різну яскравість неба, спостерігаючи на довжинах хвиль 1,2, 2,3 і 3,5 мікронів (голубий, зелений і червоний кольори відповідно). Сонце знаходиться приблизно на відстані 28000 світлових років від центру Галактики. Такі дані допомагають астрономам зрозуміти великомасштабну структуру й еволюцію Молочного Шляху.
Отримавши чіткі докази того, що спіральні й еліптичні галактики знаходяться всередині великих гало з темної матерії, астрономи тепер виясняють місцезнаходження, кількість та розподіл невидимої речовини.
Щоб відповісти на ці запитання, дослідники порівнюють і зіставляють спостереження конкретних близьких галактик. Так, на основі рухів Магелланових Хмар, двох галактик-супутників, прекрасно видимих у Південній півкулі ми вияснили, що вони обертаються всередині гало нашої Галактики і що гало простягається далі за Хмари до відстаней майже в 300000 світлових років. А втім рухи найбільш віддалених супутників нашої Галактики наводять на думку, що її гало, імовірно, простягається вдвічі дальше — до 600000 світлових років.
Оскільки наша найближча сусідня спіральна галактика М31 знаходиться на відстані не більше двох мільйонів світлових років, стає зрозумілим, що гало нашої Галактики покриває значну частину відстані до М31 та її гало. Ми встановили також, що скупчення галактик знаходяться всередині навіть більших систем темної матерії. На найдальших відстанях, для яких ми ще можемо визначати маси галактик, темна матерія має протяжність у 10, а то і в 100 разів більшу, ніж світна матерія.
Ми вважаємо, що темна матерія здебільшого пов’язана з яскравою матерією, оскільки вони часто з’являються разом. Проте слід визнати, що цей висновок може походити з тенденційності спостережень, оскільки, як правило, яскрава матерія дає нам змогу шукати темну.
Старанно вивчаючи форми і рухи галактик упродовж десятиріч, астрономи дійшли висновку: індивідуальні галактики активно еволюціонують значною мірою через взаємне гравітаційне притягання з сусідніми галактиками. Всередині кожної галактики зорі знаходяться на неймовірно великих відстанях порівняно з їхніми діаметрами, а отже, мало впливають одна на одну гравітаційно. Наприклад, відстань між Сонцем та його найближчим сусідом зорею Проксима Кентавра є настільки великою, що між ними можна розмістити 30 мільйонів сонць. На противагу цьому галактики знаходяться ближче одна до одної по відношенню до їх діаметрів — майже всі мають сусідів у межах кількох їхніх діаметрів. Тому галактики впливають одна на одну гравітаційно, і головний внесок у ці взаємодії робить темна матерія.
Ми розуміємо, що зміни багатьох галактик — деякі збільшуються, інші зменшуються, трансформуються або стикаються — не пояснити, якщо не брати до уваги темну матерію. Така взаємодія, наприклад, має місце прямо в околицях нашої Галактики. Магелланові Хмари, одні з наших найближчих сусідніх галактик, проходять через площину нашої Галактики кожний мільярд років, позначаючи свій шлях припливними хвостами з газу і, можливо, зір. Фактично при кожному проході вони втрачають енергію і по спіралі наближаються до центру. Менш ніж через 10 мільярдів років вони розваляться на частини і зіллються з Молочним Шляхом.
Недавно астрономи ідентифікували ще ближчу сусідню галактику — карлика в Стрільці, який знаходиться з протилежного боку Молочного Шляху, близько до його зовнішнього краю. (При спостереженні з Землі вона проектується на сузір’я Стрільця.) Виявляється, гравітаційна сила нашої Галактики розриває на частини цю карликову галактику, і вона перестане існувати як окремий об'єкт через кілька обертів. Можливо, наша Галактика складається з десятків таких попередніх надбань.
Аналогічно близька галактика М31 та Молочний Шлях летять назустріч одна одній з шаленою швидкістю — 130 кілометрів за секунду. Як нетерплячі глядачі ми мусимо спостерігати це зближення десятками років, щоб вияснити, чи М31 зіткнеться з нашою Галактикою, чи просто пройде мимо. Якщо вони зіткнуться, — ми пропали: Молочний Шлях зануриться у більш масивну М31. Комп’ютерні моделі передбачають, що через 4 мільярди років ця пара галактик стане однією сферичною галактикою. Звичайно, наше Сонце тоді вже згасне цілком, але хтось інший у Всесвіті спостерігатиме той фейєрверк.
У багатьох відношеннях наша Галактика (і всі великі галактики) поводиться не так, як добрий сусід. Вона пожирає найближчих сусідів і перемелює їх у будівельні блоки, щоб рости самій. Як континенти Землі непомітно рухаються під нашими ногами, так само наша Галактика еволюціонує довкола нас. Вивчаючи обертання, руйнування, повороти та структури багатьох галактик у процесі зіткнення, астрономи можуть розрахувати гравітаційні сили, необхідні для забезпечення цієї динаміки, і величину невидимої матерії, яку вони містять.
Як багато темної матерії міститься у Всесвіті? Доля Всесвіту залежить від ще одного невідомого параметра: повної маси Всесвіту. Якщо ми живемо у «закритому» Всесвіті з високою густиною, тоді взаємне гравітаційне притягання кінець-кінцем призупинить розширення Всесвіту, примушуючи його стискатися аж до кульмінаційного Великого Краху, за яким, можливо, буде наступне розширення. Якщо ж ми живемо у «відкритому» Всесвіті низької густини, тоді, навпаки, він розширюватиметься вічно.
Результати досліджень, проведених до цих пір, вказують на те, що Всесвіт, чи принаймні та область, яка доступна для спостережень, є відкритим, тобто розширюватиметься завжди. Якщо скласти разом усю світну матерію, що можна зареєструвати, і всю темну матерію, яка визначається зі спостережень, то повна густина становитиме тільки частину — можливо, 20 відсотків — від необхідної для того, аби призупинити вічне розширення Всесвіту.
Я б радо закінчила на цьому історію, якби не те, що космологи часто мріють про модель Всесвіту з «критичною» густиною, що точно балансує на межі між високою і низькою. В такому Всесвіті густина саме така, як треба. Там є достатньо матерії, щоб сповільнювати неперервне розширення, отже він за інерцією наближається майже до зупинки. Поки що цямодель не описує Всесвіт, в якому ми проводимо виміри. Як спостерігач я визнаю, що колись, можливо, буде зареєстровано більше матерії, але це не достатня умова для мене прийняття такої космологічної моделі, яку спостереження ще не вимагають.
Інший ускладнюючий фактор, який треба би взяти до уваги, — це можливе існування цілком темних систем: агломератів темної матерії, в яких світна матерія ніколи не з’являлася. Досі ми просто не знаємо, чи такі цілком темні системи існують, оскільки не маємо спостережуваних даних ані для підтвердження, ані для заперечення їх присутності.
Що є темною матерією?
Якою б не виявилася темна матерія, ми впевнені в тому, що Всесвіт містить її у великій кількості: на кожен грам світної речовини можемо реєструвати порядку десяти грамів темної. На даний момент астрономи-експерти ще не спроможні точно встановити склад темної матерії. По суті, ми перебуваємо на початковій стадії досліджень. Існує багато кандидатів у невидиму масу: одні — відносно прості, інші — досить екзотичні.
Проте є рамки, в яких ми повинні працювати. Нуклеосинтез, що намагається пояснити походження елементів після Великого Вибуху, накладає обмеження на число баріонів (частинок звичайної, простої речовини), що можуть існувати у Всесвіті. Ця межа з’являється в рамках стандартної моделі раннього Всесвіту, яка має один вільний параметр — відношення числа баріонів до числа фотонів в одиниці об’єму.
Число фотонів відоме з уже визначеної температури реліктового випромінювання. Отже, для визначення числа баріонів ми повинні спостерігати зорі і галактики, щоб вивчити космічний вміст легких ядер, тобто тільки тих елементів, які сформувались відразу після Великого Вибуху.
СПІРАЛЬНА ГАЛАКТИКА NGC 2997, що знаходиться на південному небі в сузір’ї Насоса, ймовірно, нагадує нашу Галактику. Як і всі спіральні галактики, NGС 2997 знаходиться всередині протяжного темного дифузного гало, склад якого залишається невідомим.
Без перевищення обмежень, накладених нуклеосинтезом, ми можемо побудувати відкриту модель Всесвіту з низькою густиною. В цій моделі приймаємо приблизно рівні густини баріонів та екзотичної матерії (небаріонних частинок), але в сумі їх величина становить тільки 20 відсотків від критичної густини. Ця модель Всесвіту узгоджується зі всіма сучасними спостереженнями. З іншого боку, дещо відмінна модель відкритого Всесвіту, в якій вся матерія є баріонною, могла б також задовольнити спостереження. Але, на жаль, дя альтернативна модель містить надто багато баріонів, що порушує межі, встановлені нуклеосинтезом. Отже, кожна прийнятна модель Всесвіту низької густини має дивні властивості: більшість баріонів бажає залишатися невидимою, природа їх невідома, і в більшості моделей основна частка матерії Всесвіту перебуває у формі екзотичних частинок.
Екзотичні частинки
Теоретики взяли за основу віртуальну множину об’єктів, що могли б бути темною матерією, хоч багато з них вже стали жертвою спостережних обмежень. Назвемо лише кілька з найімовірніших кандидатів для баріонної темної матерії: чорні діри (великі і малі), коричневі карлики (надто холодні і слабкі для випромінювання зорі), МАКОГ розмірів Сонця, холодний газ, темні галактики і темні скупчення.
Діапазон частинок, що можуть складати небаріонну темну матерію, обмежується тільки уявою теоретиків. У переліку таких частинок серед багатьох інших є фотіно, нейтрино, гравітино, ахіони та монополі. З нихдослідники зареєстрували тільки нейтрино, але чи мають вони якусь масу, — невідомо. Ставляться експерименти для реєстрації інших екзотичних частинок. Якщо вони існують, якщо хоч одна має масу в потрібному діапазоні і якщо такі частинки могли заполонити Всесвіт, тоді вони можуть складати темну матерію. Але тут є надто багато «якщо».
Деталі еволюції галактик і скупчень галактик значною мірою залежать від властивостей темної матерії. Без знання цих властивостей важко пояснити, як галактики еволюціонували до структур, що спостерігаються сьогодні. Оскільки знання про ранній Всесвіт поглиблюються, я переконана: скоро ми дізнаємося набагато більше про формування галактик і темної матерії.
Те, чого ми не в силі бачити очима або реєструвати детекторами, інколи можемо осягнути нашим розумом з допомогою комп’ютерної техніки. Комп’ютери тепер відіграють ключову роль у дослідженнях темної матерії. Історично астрономи зосереджені на спостереженнях; тепер увага змістилася до експериментальних наук. Сьогодні астрономи-експериментатори сидять не стільки за лабораторними установками чи телескопами, як біля терміналів комп’ютерів. Вони уважно вивчають космічні моделювання, в яких десятки тисяч точок представляють зорі, газ і темну матерію, що гравітаційно взаємодіють протягом часу життя галактик. Космологи можуть варіювати моделі, підганяючи параметри темної матерії, і тоді дивитися, що трапиться, коли віртуальні галактики еволюціонують ізольовано або в більш реалістичному, заповненому Всесвіті.
Таким чином комп’ютерні моделі можуть передбачати поведінку галактик. Наприклад, коли дві галактики стикаються, бурхливо зливаючись або близько пролітаючи одна повз іншу, інколи виникають довгі припливні хвости. Але ми тепер знаємо з моделей, що ці хвости з’являються тільки тоді, коли маса темної матерії гало кожної галактики від 3 до 10 разів більша маси світної матерії. Масивніші гало продукують кремезніші хвости. Це розуміння, до якого дійшли завдяки моделюванню, допомогло астрономам-спостерігачам розібратися в тому, що вони бачать, і краще збагнути властивості темної матерії, якої не можна побачити. Вперше в історії космології комп’ютерне моделювання фактично скеровувало спостереження.
Нові пристрої не менше, аніж нові концептуальні підходи, дали змогу проникнути в суть структури небес. Майже 400 років тому Галилей приклав маленькі лінзи з одного кінця картонної труби, а великий розум — з іншого. В такому поєднанні він встановив, що слабка смуга, яка проходить по всьому небу і називається Молочним Шляхом, насправді містить мільярди звичайних зір і зоряних скупчень. Раптом людина зрозуміла, чим є галактика. Ймовірно, вже в цьому столітті інший, може, ще й ненароджений, великий розум припаде очима до нового майбутнього приладу і впевнено відповість, що таке темна матерія.
