Учёные невероятно скептически относятся к тёмной материи. Они не принимают эту гипотезу «оптом», что видно уже из самого названия. Название в основном является «заполнителем». Это называется «тёмным» как загадочное или неизвестное, потому что учёные просто не знают, что это такое, и не могут увидеть это напрямую. Это называется «материей», потому что чем бы ни была эта тёмная материя, она, как и материя, имеет гравитационное влияние.
Но они знают, что «что-то есть». Хотя они не могут видеть тёмную материю напрямую, они могут видеть ее влияние на видимую материю. Итак, каковы эффекты тёмной материи? Давайте начнём с этого изображения скопления галактик Abell.
В частности, обратите внимание на изогнутые штрихи. Это не грязь на линзе, а галактики далеко за пределами скопления Abell. Масса скопления галактик Abell искривляет пространство, а свет, проходящий через это пространство, работает так, как если бы само пространство было линзой.
Это предсказание общей теории относительности. Материя искривляет пространство под действием силы тяжести. И потому свет изгибается, когда проходит через искривлённое пространство. Примерно так, как на рисунке ниже.
Учёные довольно тщательно протестировали эту часть общей теории относительности, поэтому мы знаем, какая масса искривляет пространство. Это можно рассчитать и в обратном порядке: если вы можете наблюдать галактики с линзами, вы можете определить, насколько пространство искривлено. И если вы знаете, насколько изгибается пространство, вы знаете, сколько материи требуется, чтобы изогнуть пространство так сильно.
Но тогда возникает проблема. Если вы просто посмотрите на изображение галактики, подобное приведённому выше, вы можете приблизительно оценить, насколько она велика, и сколько в ней звезд. Поскольку вы знаете, сколько в среднем весит звезда, вы также можете оценить, сколько вещества находится в этой галактике. Но когда вы это сделаете, вы обнаружите, что галактики в звёздном скоплении не обладают достаточной массой, чтобы так сильно искривлять пространство.
Есть ещё одна проблема: обратите внимание, что изогнутые в виде линз галактики находятся между некоторыми другими галактиками в скоплении. Это означает, что вы можете проследить путь их света через скопление и использовать это, чтобы точно измерить, где пространство искривлено и насколько, и, следовательно, сколько массы находится между галактиками. Когда вы рисуете это поверх изображения, вы получаете что-то вроде следующего.
Нижняя часть диаграммы — это сама область фотографии, а подъём — это то, сколько вещества должно быть в каждом пикселе на фотографии, чтобы создать такой эффект линзирования.
Эти пики представляют собой рассчитанные массы галактик в гравитационной линзе. Но видите ли вы выпуклость в центре, из которой торчат галактические «шипы»? Это тоже масса, и масса этой выпуклости намного больше, чем шипов. Мы не видим эту массу. Мы можем просто увидеть её следы и сделать вывод, что она действительно там есть. Так что, чёрт возьми, мы видим?
Это не единственное доказательство. Когда вы измеряете вращение галактик, вы кое-что замечаете: орбитальная скорость материи в зависимости от расстояния от центра галактики не уменьшается с расстоянием, как можно было бы ожидать из третьего закона Кеплера и количества видимой материи.
Это работает, как будто есть гораздо больше материи в дополнение к той, которую можно увидеть. Фактически, когда вы делаете расчёты, вы обнаруживаете, что если материи было бы примерно в пять раз больше, чем можно увидеть, то всё работает нормально в соответствии с третьим законом Кеплера.
Одно из объяснений состоит в том, что большая часть массы в галактиках на самом деле создается не звёздами, а коричневыми карликами, чёрными дырами, а в основном — газом и пылью.
Другие возможные объяснения могут заключаться в том, что наше понимание гравитации неверно. Может, гравитация лучше описывается модифицированной версией законов тяготения Ньютона, чем теорией относительности?
Ниже составное изображение скопления Пули — на самом деле двух сталкивающихся скоплений галактик. Оно сделано из трех источников: оптического изображения, рентгеновских данных и реконструированной карты масс (так же, как скопление Abell выше). Розовое вещество посередине — горячее рентгеновское излучение сталкивающегося газа. Как видно из гравитационного линзирования, синее вещество по бокам — место, где находится наибольшая масса.
История гласит, что два скопления галактик встретились лицом к лицу и в основном проходили одно через другое, потому что между галактиками очень много места. Газ в этих скоплениях галактик не проходил «друг через друга»: он сталкивался, становился горячим и производил много рентгеновских лучей, но также терял импульс из-за нагрева и образования рентгеновских лучей. Так что газ остался на месте.
Мы знаем из рентгеновского излучения, что газ и пыль остаются посередине, поэтому именно здесь и должно быть гравитационное линзирование. Но это не так. Оно выходит к голубым полям по сторонам, где находятся ядра скоплений галактик.
Таким образом, мы можем исключить скрытую «нормальную» материю. Какой бы ни была тёмная материя, это не газ, не коричневые карлики, не чёрные дыры или прочая обычная материя.
Еще одно свидетельство — космическое микроволновое фоновое (реликтовое) излучение.
Проблема в маленьких пузырях. Без чего-то, что взаимодействует только через гравитацию, а не со светом, и в соотношении примерно 5:1 с нормальной материей, мы не можем объяснить эти пузыри. Модифицированные ньютоновские модели определенно не могут. Так что дело не в том, что мы «не понимаем гравитации», дело в другом.
Итак, мы почти уверены, что есть некоторые вещи с гравитационным влиянием, которые мы не можем увидеть, кроме как через это гравитационное влияние. Но поскольку мы не можем видеть это вещество напрямую, мы называем его «тёмной материей». Опять же, это имя-заполнитель, пока мы не выясним, что это такое на самом деле.
Под названием «тёмная материя» мы подразумеваем то, что имеет гравитационный эффект как материя, но остаётся для нас загадкой. Возможно, лучше было бы это назвать «неизвестный тяжёлый материал».
Что бы это ни было, это действительно неуловимо. Одна из гипотез состоит в том, что оно состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц или вимпов. Мы проверяем это, создавая большие «ловушки», чтобы получить какое-то взаимодействие. Однако построенные ловушки пока не привели к чему-то убедительному.
Другая гипотеза — массивные астрофизические компактные гало-объекты или «MACHO». Это объекты, которые не излучают свет, но в лучшем случае отражают его. В одном исследовании, проведённом сторонниками этой теории, было обнаружено около 20% тёмной материи в галактике. Но другие исследования не смогли воспроизвести их результаты. Так что тёмная материя, вероятно, тоже не это...
Против гипотезы вимпов и «MACHO» выступают несколько других идей, например, модифицированная ньютоновская динамика («MOND»). Последняя не может полностью объяснить все наблюдаемые эффекты, и есть несколько наблюдений, которые прямо ей противоречат. Так что мы можем исключить и это объяснение.
Итак, на самом деле существует множество свидетельств существования тёмной материи: чего-то, имеющего гравитационное влияние, которое обычная видимая материя не может объяснить. Мы просто не знаем, что это за штука. Но мы определённо видим ее эффект, каким бы он ни был. И что бы это ни было, этого очень много. Как бы мы это ни измеряли, тёмной материи примерно в пять раз больше, чем обычной материи.
По материалам публикации (англ.).
