Галактики. Большой путеводитель по Вселенной - Джеймс Гич

холодная темная материя, другая основная составляющая массы во Вселенной и, как мы видели, важный компонент в формировании, структуре и распределении галактик. «Холодная» в CDM относится к идее о том, что частицы, составляющие темную материю, движутся медленно по сравнению со скоростью света. Также существуют модели, в которых темная материя «теплая», и они дают совсем другие прогнозы эволюции структуры Вселенной. Опять же, обе концепции мы можем проверить путем наблюдения. В настоящее время большинство ученых предпочитают концепцию холодной темной материи.

Мы еще не обнаружили темную материю в экспериментах непосредственно, несмотря на то что по массе она превосходит «нормальную» материю примерно в пять раз. Проблема проста: темная материя, по-видимому, не особо взаимодействует с другим веществом в остальных процессах, за исключением гравитации, и мы должны смотреть на все в астрономических масштабах, чтобы заметить ее (например, изучать кривые вращения галактик или гравитационное линзирование). Если темная материя состоит из частиц, называемых вимпами (акроним от англ. Weakly Interacting Massive Particles – слабо взаимодействующие массивные частицы), то мы могли бы ожидать (очень редко) отдачи частицы «нормальной» материи, когда две из этих частиц сталкиваются («слабо» в вимпе подразумевает, что взаимодействие «нормальной» и темной материй произойти может, но такие события редки). Сейчас ученые проводят эксперименты, направленные на поиск именно этого эффекта.

Примером эксперимента по обнаружению темной материи стали работы с детектором ZEPLIN-III, состоящим приблизительно из 12 кг жидкого ксенона, покрытого сверху небольшим количеством газообразного ксенона (ксенон – один из благородных инертных газов). В эту жидкость были погружены трубки фотоумножителя, чтобы они обнаруживали и усиливали любую сигнатуру отдачи атомов ксенона, когда с ними сталкивается вимп, что создает короткий крошечный всплеск света. Чтобы уменьшить загрязнение сигнала другими частицами, проходящими через ксенон, которые могут вызвать срабатывание детекторов, ZEPLIN-III был помещен на глубину более 1 км под землей в калийную шахту Боулби, расположенную в британской части Северного Йорка, с толстым слоем горных пород, которые экранируют детектор от любого лишнего сигнала. Одним из примеров загрязнения являются космические лучи – высокоэнергетическое излучение, которое постоянно падает на наши головы в результате различных энергетических астрофизических процессов, например взрыва сверхновых. Поток космических лучей значительно ослаблен скалами в несколько сотен метров, что делает шахту идеальным местом для экспериментов с такими приборами, как ZEPLIN-III. До сих пор действительно убедительных наблюдательных данных прямого обнаружения темной материи представлено не было. Возможно, темная материя и не состоит из вимпов – как бы там ни было, поиск продолжается.

Несмотря на всю неопределенность, «Лямбда-CDM» – наша лучшая модель Вселенной. Я понимаю, почему публика может скептически отнестись к фактическому существованию чего-то вроде темной материи: считается, что она повсюду (хотя плотность меняется от места к месту), тем не менее это «повсюду» не оказывает заметного влияния на нашу повседневную жизнь. Но если размышлять в космических масштабах, то тогда становятся очевидными косвенные доказательства наличия компонента темной материи в кривых вращения галактик и движениях звезд, а также в гравитационном линзировании света. Независимо от того, что именно представляет собой темная материя, и ее точной природы описывающая их текущая модель проделывает неплохую работу по предсказанию многих событий во Вселенной, которые хорошо согласуются с данными наблюдений. Да, проблемы в модели есть, но это и не удивительно: цель наших исследований состоит в создании модели, которая может совершенствоваться по мере накопления новых знаний. Если мы получим достоверные данные наблюдений, которые не могут быть объяснены моделью, или докажем, что модель неверна, то она будет отброшена, а мы начнем снова. Примером этого является смена парадигмы, которая произошла, когда модель Вселенной, начавшаяся с горячего Большого взрыва, поборола теорию стационарной Вселенной.

Происхождение в водовороте

Теория стационарной Вселенной, разрабатываемая Фредом Хойлом, Томасом Голдом и Германом Бонди в середине XX века (все они были и остаются высокоуважаемыми астрономами и космологами), описала Вселенную, которая не имела начала, но была всегда. В модели стационарной Вселенной галактики находятся в движении, о чем свидетельствует галактическая рецессия относительно Земли, открытая в начале ХХ века, но сама Вселенная сохраняет постоянную плотность (при усреднении по большим объемам), позволяя новым галактикам возникать по мере расширения космоса. Двумя основными доказательствами, которые обесценили теорию стационарной Вселенной, стали наблюдение космического микроволнового фона – всепроникающего радиационного поля, которое указывает на горячее происхождение Вселенной, – и тот факт, что галактики на больших красных смещениях начинают демонстрировать свойства, отличные от тех, что есть у ближайших к нам. Например, в далекой ранней Вселенной существовало гораздо больше квазаров, чем сегодня. Это означает, что население галактик меняется с течением времени. Поэтому, как ни странно, изобилие квазаров в более ранней Вселенной напрямую связано с тем, что скорость активности – как звездообразования, так и роста черных дыр – в прошлом была выше, чем сегодня. Это указывает на прогрессивные изменения населения галактик.

По мере сбора эмпирических данных теория стационарной Вселенной отошла на второй план. Однако, разрабатывая ее, ученые не потратили время впустую: наукой движет эмпирическая проверка гипотез, и стационарная Вселенная просто не вписывается в картину, которую нам дают наблюдения. На смену ей пришла теория горячего Большого взрыва, описывающая мгновенное образование пространства и времени из одной точки в начальный момент прошлого. Модель «Лямбда-CDM» описывает содержание этой Вселенной, ее геометрию и эволюцию. Она не идеальна, и астрономы признают это (конечно, некоторые больше, чем другие, – в этом деле легко стать догматиком). Например, есть проблемы с тем, как теория работает во времена сразу после Большого взрыва и в описании механики того, как Вселенная могла расширяться так быстро. Точно так же у нас нет достоверной теории о том, как вообще произошел Большой взрыв, или что произошло раньше, или существуют ли другие Вселенные. Это уже совсем другая история. На данный момент астрономы вроде меня используют «Лямбда-CDM» в качестве контекста или структуры, в рамках которой можно интерпретировать наблюдения, и, что более важно, в качестве модели, которая может быть подвергнута тщательному анализу. Наша нынешняя модель мироздания удивительно хорошо объясняет широкий спектр явлений, поэтому мы, вероятно, все же находимся на правильном пути. С другой стороны, в масштабе отдельных галактик и их внутренней работы все еще задействована старая добрая физика. Сами по себе многие принципы физических процессов, действующих в галактиках, достаточно хорошо изучены. Проблема возникает, когда мы пытаемся понять, как все различные физические процессы работают в галактиках вместе. Вот тогда все становится сложнее: мы должны работать по частям, наблюдая за тем, как складывается наш пазл.

Термодинамические свойства ранней Вселенной устанавливают фундаментальный горизонт, за которым мы, наблюдатели, не можем ничего разглядеть.