Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса
Шрифт:
(На настоящий момент их более шестидесяти. Редактор.)
Астрофизики пришли к этому выводу благодаря компьютерному моделированию эволюции Вселенной. Если мы попытаемся смоделировать формирование галактик во Вселенной, в которой темной материи в пять раз больше обычной, то появится целая уйма карликовых галактик. Количество этих галактик в симуляции где-то в десять раз превосходит то, что мы наблюдаем в действительности. Компьютерное моделирование расходится с реальностью. Получается, весь сценарий с темной материей потерпел крах? Вовсе нет. Учитывая, что темная материя так хорошо справлялась с объяснением столь многих различных свойств Вселенной, то всего нескольких пропавших без вести карликовых галактик будет маловато для опровержения целой концепции.
Тем не менее проблему карликовых галактик не стоит сбрасывать со счетов, и многие исследовательские группы как раз
Одна из возможных причин проблемы — недостаточно совершенные компьютерные модели. Все-таки воссоздание процесса рождения галактик на компьютере — задачка не из легких. Необходимо учитывать абсолютно все: от гравитационных сил, действующих на больших расстояниях, до того, что происходит, когда массивные звезды умирают и взрываются. Как бы это странно ни звучало, но моделирование галактик намного сложнее в исполнении, чем, например, моделирование условий во Вселенной уже после появления реликтового излучения. Можно предположить, что по мере совершенствования технологий расхождение между моделью и реальностью уменьшится. Например, более важную роль начинают играть взрывающиеся звезды, то есть сверхновые. Ударная волна от взорвавшейся огромной звезды могла бы выдуть большую часть обычного вещества из карликовой галактики. Несталкивающая ся же темная материя не станет обращать внимания на какие-то ударные волны и прочую чепуху и может спокойно остаться в маленьких галактиках. И тогда в карликовых галактиках будет настолько мало обычного вещества, что их вообще будет трудно заметить.
В последние годы астрономы обнаружили несколько карликовых галактик вблизи Млечного Пути. Похоже, моделирование и практические наблюдения постепенно начинают все больше соответствовать друг другу. Может, проблема с пропавшими карликовыми галактиками не так уж и велика?
Другие исследователи используют карликовые галактики как отправную точку для новых гипотез о сущности темной материи. Например, одна исследовательская группа предположила, что темная материя может быть не полностью невидимой, а лишь почти невидимой. А еще — что темная крайне редко, но все же взаимодействует со светом. Когда они пытаются включить такие причудливые частицы темной материи в свои модели, получается, что карликовых галактик образуется меньше. Но чтобы такая модель была способна выдержать критику, она должна быть в состоянии дать ответы на все вопросы о темной материи. А для этого придется снова проводить множество расчетов и строить модели. К тому же нужно будет как-то объяснить, почему до этого частиц темной материи не обнаружил ни один эксперимент.
Охота на темную материю — это огромный пазл, и многим кусочкам еще только предстоит оказаться на своем месте. Карликовые галактики — один из таких кусочков. Подавляющее большинство астрономов, в том числе и я, практически уверены, что темная материя существует, несмотря на проблему карликовых галактик.
Тем не менее многие без особого энтузиазма относятся к перспективе поиска огромного количества невидимой материи для объяснения наблюдаемой нами Вселенной. Не являясь ярыми противниками концепции темной материи, они, однако же, считают разумным рассмотреть альтернативные варианты. Ведь для развития науки такие альтернативные идеи абсолютно необходимы. В этом и заключается суть науки: разные идеи сталкиваются друг с другом, пока практические наблюдения за реальностью в конце концов не определят победителя. Но какие могут быть альтернативы у темной материи?
2.15. А что, если темной материи не существует?
Пока я приводил аргументы только в пользу существования темной материи. Сначала я перечислил серию наблюдений, которые трудно было бы объяснить без темной материи: мы изучили гравитационное линзирование, скопление галактик Пуля, скорости галактик и их скоплений, кривые вращения спиральных галактик, а также неоднородность реликтового излучения. У многих наблюдений есть нечто общее: они жаждут, чтобы мы ввели во Вселенную дополнительные гравитационные силы. Например, нам нужна дополнительная гравитация для того, чтобы звезды не разлетелись в разные стороны из вращающихся галактик, а сами галактики — из скоплений галактик. Из этой ситуации мы выходили, вводя темную материю, которая решала наши проблемы, добавляя недостающие гравитационные силы. Но существует и альтернативный подход. Давайте представим, что никакой темной материи не существует. Правда, даже в этом случае нельзя сбрасывать со счетов наблюдения, указывающие на недостаток гравитационных сил. Но вместо того, чтобы вводить невидимую
Итак, выбор не особо велик: либо мы вводим новые частицы, либо пересматриваем сам закон гравитации. Сторонники есть у обоих подходов, хотя желающие изменить закон гравитации все же остаются в меньшинстве. В истории астрономии подобные конфликты уже случались. Давайте подробнее рассмотрим крайне показательный пример с планетами нашей Солнечной системы.
К началу XIX века астрономы узнали о некоторых аномалиях в движении планеты Уран. На тот момент это была наименее изученная планета Солнечной системы. Особенности движения Урана заключаются в том, что реальная орбита планеты не совпадает с вычислениями, опирающимися на закон всемирного тяготения. Можно было начать искать новую планету за пределами Урана, которая бы слегка притягивала его и влияла на траекторию. Или же можно было пересмотреть закон всемирного тяготения. Ведь совсем не факт, что закон, объясняющий движение ближайших к Солнцу планет, будет действовать и на более внушительных расстояниях — там, где находятся Уран и более дальние объекты.
Если всему виной действительно новая планета, значит, ее можно обнаружить. Примерно в 1845 году два астронома независимо друг от друга провели расчеты, показавшие, где могла бы находиться новая планета, влияющая на орбиту Урана. Этими двумя астрономами были француз Урбен Ле-верье и британец Джон Адамс. Последовавшие горячие споры о том, кому именно удалось первому предвычислить существование новой планеты, отчасти объясняются национальной принадлежностью ученых. Тем не менее больший вклад в открытие внесли расчеты француза. Неверье отправил в берлинскую обсерваторию астроному Иоганну Готтфриду Галле письмо с подробными указаниями, где и как искать новую планету. Галле получил письмо 23 сентября 1846 года. В тот же вечер была открыта новая планета в одном градусе от предсказанного Неверье положения. После долгих раздумий планету назвали Нептуном.
Истории планеты Нептун и темной материи очень похожи. Подоплекой были аномалии в движении уже известного небесного тела, и эти движения стали основанием для предсказания чего-то совершенно нового. Пересматривать закон всемирного тяготения не пришлось. Может, и с темной материей все сложится так же? Астрономы заметили аномалии в поведении видимого вещества. Это привело к постулированию нового вида частицы, после чего астрономы рассказали физикам, как такие частицы должны себя вести. Единственная разница, понятное дело, в том, что темную материю еще не открыли. Но и история Левсрье закончилась не на этом.
Оказалось, что не только Уран обращался по несколько странной орбите. То же самое замечали и за ближайшей к Солнцу внутренней планетой — Меркурием. Как и любая другая планета, Меркурий движется вокруг звезды по орбите в виде эллипса. Ближайшая к Солнцу точка орбиты называется перигелием. Особенность Меркурия состоит в том, что его перигелий каждый год немного смещается — совсем незначительно, всего где- то полтора градуса за столетие.
(В инерциальной системе отсчета это смещение составляет 574 в столетие, а не объясненное Ньютоновой теорией смещение составляет всего 43 в столетие.)
Наблюдая за перигелием Меркурия, Леверье понял, что этот эффект не объяснить известными фактами о Солнечной системе и гравитации. Окрыленный успехом с Нептуном, Леверье в 1859 году постулировал существование еще одной новой планеты — Вулкана, якобы находящейся внутри орбиты Меркурия. А то, что Вулкан никто никогда не видел, вполне объяснимо: планета находится настолько близко к Солнцу, что с наступлением темноты ее уже невозможно разглядеть. Больше всего шансов обнаружить Вулкан существует, когда он проходит на фоне Солнца. В этом случае можно заметить темное пятно, пересекающее солнечный диск.