Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Кристиансен Йостейн Рисер

Темная материя, которая не хотела быть глазуньей

Главное преимущество открытия Рубин заключается в доказательстве того, что недостающая материя в спиральных галактиках распределена совсем не как обычная видимая. Обычное вещество мы представили в форме двойной глазуньи. Чтобы можно было объяснить высокие скорости звезд на периферии и плоские кривые вращения, невидимая материя должна распространяться намного дальше, чем видимая. Мы сунули эти наблюдения в кастрюлю вместе с теорией и методами компьютерного моделирования, вскипятили и перемешали все вместе, получилась современная стандартная модель спиральных галактик. В этой модели двойная глазунья видимого вещества расположена в центре огромной сферической области темной материи, называемой гало. Этот ореол темной материи находится в области, в несколько раз превышающей диаметр видимой глазуньи.

Продолжая наши кулинарные аналогии, мы можем, таким образом, представить двойную глазунью, плавающую посреди гораздо более широкой, но неглубокой тарелки супа из темной материи. В середине супа из темной материи плотность наивысшая, а потом, если двигаться к краям, она постепенно снижается. Мы также считаем, что суп из темной материи одинаковой консистенции и в нем нет даже малюсеньких комочков. Следовательно, ни о каких звездах из темной материи и речи не идет.

Мы полагаем, что двойная глазунья из Млечного Пути находится в самом центре еще более обширного гало темной материи.

Модель супа с глазуньей хороша тем, что способна объяснить плоские кривые вращения. Модель так хорошо прижилась именно благодаря логичности на теоретическом уровне. Хотя это, возможно, и неочевидно. Разве могут как видимая, так и темная материи взаимодействовать гравитационными силами, так что при этом одна группируется в звезды и планеты, а другая — нет? Давайте-ка вспомним, как появляются галактики и звезды.

Рождение галактики

Уже готовые галактики не возникли сами собой вместе со Вселенной: галактики формировались по мере ее роста и взросления. Так как же рождались галактики?

Понадобится облако газа. Громадное газовое облако. Но этот газ не просто вещество, а смесь обычной и темной материй. Не исключено, что там уже даже несколько звезд образовалось. Но это, скорее, не плотное облако, а огромная область во Вселенной, в которой газ немного плотнее, чем в прилегающих областях. У этого газового облака есть масса. Следовательно, и гравитация там присутствует, а значит, гравитационные силы рано или поздно начнут сжимать облако. Сначала медленно, а потом все быстрее и быстрее. А что происходит после?

Начнем с обычной материи. По мере того, как облако становится меньше и плотнее, частицы обычного вещества начинают сталкиваться. В конечном счете столкновения заставят сжатие притормозиться, прямо как яблоко Ньютона, которое сначала замедлилось, а потом и вовсе остановилось, коснувшись земли. Если в самом начале наше облако хоть чуточку вращалось, то теперь это вращение будет усиливаться по мере увеличения сжатия, совсем как фигурист, прижавший руки к телу, чтобы кружиться еще быстрее. Вращение заставляет обычное вещество сжаться в форму диска — белок нашей двойной глазуньи.

А как в газовом облаке поведет себя темная материя? Точно так же, как то ньютоновское яблоко из темной материи, коснувшись земли. Темная материя не сталкивается и не замедляется. Если яблоко из темной материи пролетело сквозь Землю и вернулось обратно, то и темная материя будет двигаться по галактике, но частью нашей сжатой яичницы не станет. Поэтому видимая двойная глазунья и остается в середине жидкого супа из темной материи.

То, как рождаются звезды и планеты, очень похоже на формирование галактик, разве что размах поменьше: газовое облако сжимается, а столкновения приводят к замедлению вещества и рождению звезд, в нашем случае — Солнца. Эффект фигуриста заставит все это вращаться, и в диске, который возникает вокруг звезды, в конце концов сформируются планеты из сталкивающегося вещества.

(window.adrunTag = window.adrunTag || []).push({v: 1, el: 'adrun-4-390', c: 4, b: 390})

Очевидно, что столкновения играют не последнюю роль как в образовании галактик, так и звезд. Плотные неровные структуры, такие как галактики и планетные системы, образуются в результате взаимодействия между гравитацией, которая сжимает вещество, и столкновениями, замедляющими сжатие. Когда гравитация влияет на темную материю, та сжимается и образовывает области с наибольшей концентрацией. Темная материя скапливается как вокруг галактик, так и вокруг скоплений галактик, а около центров галактик темной материи больше, чем на краях. Поскольку темная материя не сталкивается, она никогда не образует таких же плотных структур с комками, как обычное вещество.

Темной материи в нашей Галактике гораздо больше, чем материи видимой, однако темная очень тонко распределена по Вселенной. Еще с начала книги мы знаем о расстояниях между звездами в Млечном Пути: кокос в Осло, грецкий орех в Сахаре и так далее, а это означает, что места для темной материи предостаточно. Конечно, какое-то количество темной материи есть и в Солнечной системе, но, по сравнению с огромным массивом обычного вещества, количество темной материи здесь неуловимо мало. Тем не менее на Земле, например, всегда будет немного темной материи. Плотность темной в наших краях неизвестна, но на весь объем Земли приходится примерно полкилограмма темной материи. В итоге получается, что, хоть во Вселенной и содержится около пяти килограммов темной материи на каждый килограмм обычной, на Земле эти материи поменялись ролями.

2.10. Невидимая физика

Мы уже рассмотрели три примера свойств Вселенной, которые затруднительно объяснить без темной материи. Сначала Пуля (два сталкивающихся скопления галактик). Затем быстрые галактики в скоплениях галактик — явление, впервые описанное Фрицем Цвикки в 1930-х годах. И, наконец, вращающиеся спиральные галактики и открытия Веры Рубин в 1970-х.

Благодаря двойной глазунье в супе мы познакомились с галактиками. Но главное блюдо мы оставили на потом. Основной индикатор существования темной материи — это, по моему мнению, так называемое реликтовое излучение. Это излучение представляет собой микроволны, возникшие сразу после Большого взрыва, задолго до образования первых звезд и галактик. По сути, это излучение Большого взрыва, которое сегодня является основным двигателем для наших постоянно растущих знаний о Вселенной.

Большие и маленькие числа

Мы уже встречали несколько чисел, записанных в виде степени десяти, например 108. До сих пор эти числа сопровождались пояснениями. С этого момента эти степени будут появляться без дополнительных объяснений. Вот памятка для тех, кто пустил школьный курс математики на самотек.

Большие числа: 108 (десять в восьмой степени) — это то же самое, что единица и восемь нолей позади. Получается, показатель степени 8 говорит о количестве нолей после единицы.

Маленькие числа: степени применимы и для небольших чисел. Но в этом случае используется знак «минус» перед показателем степени. Например, 10-8 равнозначно 1/108 или 0,00 000 001. Таким образом, отрицательный показатель степени указывает нам, через сколько знаков после запятой стоит число 1.

Мы уже заметили, как способность темной материи не сталкиваться становится определяющей, например, для Пули или для кривых вращения Рубин. Это свойство также будет решающим для понимания реликтового излучения. Но вот причины, по которым темная материя не сталкивается, мы еще не обсуждали. Перед тем, как приступить к реликтовому излучению, сделаем-ка небольшой экскурс в физику невидимости. Ведь чуть позже мы убедимся, что невидимость и отсутствие столкновений — это две стороны одной медали.

Электрическая видимость