Мы разобрали интересные факты, которые уже знаем про нашу Вселенную, и выяснили, какие законы физики лежат в их основе.
Сейчас же нас ждет погружение в неведомое. Единственное, что мы знаем, – что эти явления существуют. Но пока они остаются тайной за семью печатями.
Глава 20
Темная материя
Темная материя – самая загадочная тема современной астрофизики.
Она потому и называется темной, что мы не можем ее увидеть – ни в оптическом диапазоне, ни уловить с помощью приборов, реагирующих на электромагнитное излучение. Однако мы твердо знаем: темная материя существует. Ведь она проявляет себя в гравитационном взаимодействии. А значит, по крайней мере имеет массу.
По оценкам международной группы ученых, 80 % вещества Вселенной приходится на темную материю. То есть состоит неизвестно из чего.
И открытие этого феномена сулит человечеству гигантские перспективы. Возможно, даже бóльшие, чем изобретение электричества.
Впервые термин «темная материя» использовал голландский астроном Якобус Каптейн 99 лет назад. С тех пор вопрос о том, что представляет собой это загадочное вещество, остается открытым.
Что такое темная материя
Темная материя – вид скрытого вещества. Она не участвует в электромагнитном взаимодействии, как «обычная» известная нам материя. Поэтому мы не можем ее обнаружить.
Как же мы тогда узнали, что темная материя существует?
Темная материя проявляет себя в гравитационном взаимодействии. Общая масса каждой галактики в несколько раз превышает суммарную массу ее звезд.
Когда с помощью законов физики и математики ученые измерили массу галактик, она получилась в 10 раз меньше, чем должна быть. Кому именно «должна»? Законам физики: если бы галактика весила мало и в ней не было темной материи, то все звезды давно бы разлетелись.
Попробую объяснить наглядно. Представьте большой диск, на который сели несколько человек. И мы начали этот диск крутить. Когда он достигнет большой скорости, люди начнут слетать с него и падать за его пределы. Так вот, с галактиками то же самое: они вращаются так быстро, что звезды должны разлетаться!
Грубо говоря, темная материя – это та скрытая масса, которая утяжеляет галактику до нужных физических величин, чтобы она не распадалась.
Если говорить максимально просто: мы видим, что масса во Вселенной, в частности у галактик, в разы больше, чем должна быть. Если сложить массу всего вещества, которое мы можем обнаружить (звезды, скопления, туманности, черные дыры и т. п.), этого не хватает, чтобы объяснить, откуда такая гравитация. Для этого масса должна быть еще выше. Эту «лишнюю» массу и записали на счет темной материи.
Без темной материи в космосе недостаточно массы для образования звезд. Без нее вещество «разбредалось» бы по космосу. Темная материя обеспечивает необходимую массу, которая запускает процесс образования звезд.
Примерное распределение вещества для среднестатистической эллиптической галактики выглядит так:
• 15 % массы приходится на горячий газ;
• 5 % – на светящуюся видимую материю;
• оставшиеся 80 % приходятся на темную материю.
Каковы доказательства, что темная материя существует?
Гипотеза о существовании темной материи родилась в теоретической физике. В экспериментальной физике обнаружить ее в каком-либо виде пока не удалось. Но есть убедительные экспериментальные доказательства того, что «лишняя» масса существует.
Звезды и галактики движутся с совсем другими скоростями, чем двигались бы при условии, что темной материи не существует.
Горячего газа в галактиках слишком много. Если бы лишней массы не было, галактика не смогла бы его удержать.
Гравитационные линзы. Свет, идущий от удаленных объектов, искажен гораздо больше, чем должен.
Недавнее интересное открытие в очередной раз подтвердило ее существование.
Астрономы обнаружили сгусток темной материи, которая создавала визуальные клоны далекой галактики.
Таинственный объект гамильтона
В 2013 году астроном Тимоти Гамильтон из Университета в Портсмуте (штат Огайо) изучил данные космического телескопа «Хаббл» и обнаружил странную картину: три совершенно идентичных галактики, которые находятся в далеком уголке видимой части Вселенной – в 11 миллиардах световых лет от Земли. Загадочную «тройняшку» назвали в честь ее первооткрывателя – объект Гамильтона.
Галактики имели одинаковую форму, у них были одинаковые центры. Даже вещество распределялось в них по одинаковым траекториям. Такое совпадение ненормально. Не могут просто так возникнуть галактики-тройняшки, да еще и в одном месте!
Ученые были в тупике. В течение восьми лет они строили различные, самые фантастические гипотезы. И, наконец, смогли построить модель и установить причину, о которой написали в научном журнале Королевского астрономического общества.
Оказалось, что на пути от объекта Гамильтона до Земли находится скопление темной материи высокой плотности. Оно и искажает свет от галактики. Траектория света искажается из-за мощной гравитации, огибая по дуге скопление темной материи. И до нас доходят три одинаковых изображения одного и того же объекта.
Схема работы гравитационного линзирования. Иллюстрация
Скопление темной материи расположено в 7 миллиардах световых лет от Земли, как раз на пути движения света от объекта Гамильтона, и ее свет идет по искривленной траектории.
В общей теории относительности описано, как объекты с мощной гравитацией деформируют пространство-время. Этот эффект аналогичен ряби на поверхности воды, когда
