Как найти массу Вселенной?
На первый взгляд это просто – нужно найти массы её составных частей и суммировать их. И здесь, если совсем немного подумать, то тут же понимаешь, что всё совсем не так просто.
Чтобы разобраться, начнём с нашей Галактики. Она всегда пишется с заглавной буквы, в отличие от великого множества других галактик во Вселенной, которые пишутся с прописной. У нашей Галактики есть ещё и другое имя – Млечный Путь. Это буквальный перевод с греческого. Так древние греки называли молочно-белую полосу на ночном небе. В хорошую погоду в безлунную ночь мы видим её примерно как показано на фотографии.
Полная масса Галактики составляет около полутора триллионов солнечных масс. Из них всего 200 млрд солнечных масс заключена в звёздах, которые мы знаем как Млечный путь, пересекающий небо.
Совсем уж незначительная масса заключена в сверхмассивной чёрной дыре в центре Галактики – всего четыре миллиона масс Солнца. Всё остальное, то есть, основная часть из полутора триллионов – это то, что называется “тёмной материей”. Тёмной её называют, потому что её никто никогда не видел.
Кто-то скажет, что это мистика – и будет прав! Это в самом деле мистическая невидимая субстанция, которая пронизывает нашу Галактику и всю Вселенную. Мы о ней знаем и в определённом смысле чувствуем только по её гравитации.
Что такое тёмная материя, мы не знаем. Одно понятно – если бы тёмной материи не было, то наша Галактика давно разлетелась бы в разные стороны на составные части и нас бы с вами здесь не было.
Спросите об этом любого астрофизика – он долго, интересно и увлечённо будет рассказывать о тёмной материи, но в конце концов признается, что он не знает из чего она состоит.
Попытки “взвесить” нашу Галактику, то есть определить массу заключённого в ней вещества, предпринимались на протяжении нескольких десятилетий и результаты почти каждого такого измерения в ту или другую сторону отличались от результатов других измерений.
Результаты варьировались от 500 млрд до 3 триллионов солнечных масс. Современные измерения попадают в интервал между этими предельными значениями.
Наша Галактика является в определённом смысле “эталоном”. Её масса находится между крайностями: от минимальных размеров карликовых галактик с массой в 1 млрд масс Солнца до предельно массивных галактик–гигантов с массой в 30 триллионов солнечных масс.
Различие в 30000 раз!
Млечный путь по массе ближе к гигантам. И хотя в настоящее время мы достаточно уверенно знаем его массу, включая и тёмную материю. Но положа руку на сердце, сказать, где и как эта масса распределена, все ли составные части Галактики учитываем, ничего ли не теряем в наблюдениях – мы пока не можем.
Прежде, чем перейти к деталям, остановимся на том, как всё-таки определить полную массу Галактики. Отправным пунктом служит её вращение. Наблюдения окружающих звёзд и газа позволяет найти скорости движения окружающих нас звёзд и межзвёздного газа относительно нас – наблюдателей, а значит и относительно Солнца.
Когда мы построим результирующее поле скоростей, то увидим, что все мы с окружающими нас звёздами и межзвёздным газом вращается вокруг одной точки, расположенной в созвездии Стрельца, где расположена сверхмассивная чёрная дыра (Sagittarius A*). Эта точка является центром всей массы, находящейся в Галактике.
Очень приближённо эту массу можно представить в виде нескольких тонких эллипсоидов, вложенных друг в друга, как можно увидеть на рисунке. Яркий очень тонкий диск, окружённый более разреженным (“диффузным”) толстым диском и наиболее яркой центральной частью – её называют балджем. Важно то, что такое распределение массы действует на всех нас и на всё, что находится в Галактике, гравитационной силой, направленной к центру.
Если бы не было гравитации, то все части Галактики, включая и нас вместе с Солнцем, разлетелись бы “по касательной”, как это делает камень из раскрученной пращи.
Скорость вращения частиц в Галактике – звёзд или частиц межзвёздного газа, – тем больше, чем больше действующая на них сила гравитации. Для того, чтобы узнать силу гравитации, нужно знать скорость вращения Галактики.
Измеряя скорости вращения всех составных частей Галактики, мы находим величину действующей на них силы гравитации. А уже отсюда, используя закон Ньютона, можно определить и полную массу, которая обеспечивает эту силу.
Так и делалось на протяжении нескольких десятилетий многими исследователями – астрономами. Их усилия привели к тому результату, который мы уже знаем: полтора триллиона солнечных масс и это почти в десять раз больше массы всех звёзд и межзвёздного газа Галактики.
Разумеется, то же можно проделать и с другими галактиками – определить их скорости вращения и на основе закона Ньютона найти величину гравитирующей массы. Так и сделали.
Практически во всех случаях, где были проведены такие измерения, масса, обеспечивающая необходимую гравитацию оказывалась примерно в 10 раз больше суммарной массы звёзд и газа в галактиках. Темная материя оказалась вездесущей за редчайшими исключениями.
Четыре месяца назад был выведен на орбиту космический телескоп Европейского Космического Агентства “Евклид” (Euclid). Его основной задачей будет измерение наблюдательных проявлений “темных” сил: темной материи и темной энергии. Телескоп назван по имени Евклида – греческого математика, создавшего основы геометрии.
Он будет изучать свойства основных носителей гравитации, определяющих геометрию всей Вселенной.
Совсем недавно – 8 ноября, – в журнале Nature было опубликовано сообщение о первых изображениях, полученных “Евклидом” (https://www.nature.com/articles/d41586-023-03498-1). Они показаны на двух рисунках внизу.
Спиральная галактика IC 342, расстояние до неё 10 млн световых лет – это совсем рядом. Она удачно расположена по отношению к нам – почти плашмя.
До недавнего времени её иногда называли “Скрытая галактика” (Hidden galaxy). Она находится на небе очень близко к галактическому экватору. Поэтому мы смотрим на неё почти вдоль Млечного пути, и огромное количество пыли на луче зрения затмевает её.
Но на изображении, полученном “Евклидом” хорошо видны спиральные рукава. В них плотность выше и условия для рождения звёзд благоприятнее, чем между ними. Поэтому спиральные рукава так ярко выделяются по отношению к фону.
Бледно-голубым цветом окрашено распределение обычного вещества в спиральных рукавах, излучающего как в оптическом, так и в ближнем инфракрасном диапазоне. Между рукавами бледно-красного цвета вещество более холодное. Его видно только в ближней инфракрасной области спектра.
Изображение галактики IC 342 хорошо иллюстрирует превосходную способность телескопа “Евклид” в разрешении мельчайших деталей объектов, несмотря на то, что они находятся за пылевой “ширмой”.
Этим поражены даже сами участники проекта. По их отзывам они, хотя и строили телескоп именно для этой цели, но результат превзошёл их ожидания.
Столь высокое разрешение является следствием удачного выбора оптической схемы “Евклида” – так называемая схема Корша. Именно она позволяет избавиться от многих, свойственных обычным телескопам искажений даже на сравнительно коротких экспозициях.
В этом и задача телескопа. Высококачественные изображения позволяют количественно описывать особенности распределении вещества даже на малых масштабах. Поэтому “Евклид” будет в состоянии давать важную информацию не только о крупномасштабном распределении гравитационного поля в нашей или других галактиках. Он позволит нам видеть все “бугорки” и “ямки” в распределении гравитации. Как долго они живут, как “сглаживаются” их неоднородности.
Целью телескопа “Евклид” является картография и измерение кинематических характеристик более 2 миллиардов галактик одной третьей части небесной сферы. На основе этого будет построена трёхмерная карта неба. Далее на её основе будет выявлено крупномасштабное распределение темной материи во Вселенной.
Другая задача, которая будет решена с помощью трёхмерной карты, это результат действия тёмной энергии – другой мистической субстанции, определяющей свойства Вселенной на масштабах, существенно превосходящих размеры не только индивидуальных галактик, но и их скоплений, вмещающих тысячи галактик, подобных нашей и даже превосходящих её.
Один из объектов, показанный в первом сообщении, это близкое к нам гигантское скопление галактик в Персее (Perseus Cluster), расположенное от нас на расстоянии в 240 млн световых лет. В его составе более тысячи галактик.
Но около 90 % процентов массы скопления представлено тёмной материей. Есть указания на то, что скопление в Персее является динамически молодым, то есть сейчас оно в процессе формирования, что заметно проявляется в аморфной морфологии.
Этим оно и интересно с точки зрения тех задач, на решение которых направлен космический телескоп “Евклид”.
Изображение скопления галактик Персея показано на рисунке. Диффузные яркие облачка – это массивные эллиптические галактики. Кроме них в скоплении много спиральных галактик, подобных нашей. На изображении они выглядят как тонкие лепёшки. В каждой из таких лепёшек сотни миллиардов звёзд.
На сегодняшний день это наиболее детальное изображение скопления. На нём видны сгущения и разрежения количества галактик. Они не стоят на своих местах, а быстро движутся в гравитационном поле тёмной материи – со скоростями многие сотни и даже тысячи км/c. В их пространственном распределении запечатлено мгновенное динамическое состояние. Его реконструкция позволит восстановить картину распределение поля гравитации и тёмной материи.
В скором времени мы можем ожидать новых ярких результатов, которые обещает нам “Евклид”.