спутниками, астероиды, карликовые планеты, объекты пояса Койпера, пыль —
меньше одного процента. Поэтому можно проводить расчеты движений планет, предполагая, что их (планет) масса пренебрежимо мала по сравнению с центральным телом, и в таком приближении можно использовать законы Кеплера. Согласно этим законам, чем дальше от Солнца находится планета, тем медленнее она вокруг него движется.
Если же говорить о Галактике, то сверхмассивная черная дыра (СМЧД) «весит» примерно четыре миллиона масс Солнца. Это много, но это пренебрежимо малая величина по сравнению с массой четырехсот миллиардов звезд Галактики, многие из которых существенно «тяжелее» нашего Солнца. Это значит, что масса СМЧД составляет в лучшем случае жалкие доли процента по сравнению с суммарной массой Галактики. Несколько близких звезд действительно летают вокруг СМЧД, как планеты вокруг Солнца. Но остальные сотни миллиардов звезд расположены в форме гигантской спирали и движутся под воздействием суммарного гравитационного поля галактики, которое сами же и создают. Такая же картина наблюдается и в других галактиках.
Еще в середине ХХ века астрономы начали замечать, что концы с концами не сходятся — галактики вращаются как-то не так, как следовало бы ожидать исходя из оценок распределения масс внутри галактики. Конечно, мы не знаем массы конкретных звезд, но если предположить, что они не очень сильно отличаются от массы Солнца, общая закономерность (пусть не точно) должна воспроизводить наблюдаемое (опять-таки с помощью доплеровских эффектов) вращение галактик. Но не тут-то было!
Галактики вращаются почти как твердые тела (например, как колесо со спицами). Звезды, расположенные на окраинах галактики, движутся почти с той же угловой скоростью (а значит, с огромной линейной скоростью), что и звезды вблизи центра галактики. Распределение скоростей никак не соответствовало расчетам! Получается, как будто в галактиках присутствует некая загадочная, невидимая «скрытая» масса. При этом, судя по характеру вращения галактики, эта масса распределена по всей галактике и даже выходит далеко за пределы внешних границ спиральных рукавов. Для того чтобы привести расчеты в соответствии с наблюдениями, нужно было предположить, что «скрытая масса» огромна. Ее должно оказаться в пять-шесть раз больше, чем всего видимого вещества (звезд, газа и пыли).
Равенство угловых скоростей на периферии и в центре колеса.
Проблемой скрытой массы в галактиках серьезно занимались эстонские астрономы, в числе которых нужно назвать прежде всего Яана Эйнасто. Тем не менее во многих современных англоязычных книгах в качестве открывателя феномена скрытой массы упоминаются астрономы из Принстонского университета, а также американский астроном Вера Рубин [51].
Сам Эйнасто описал ситуацию следующим образом. Еще в 1973 году на научной конференции в Тбилиси Эйнасто беседовал с крупным советским астрофизиком Рашидом Алиевичем Сюняевым и рассказывал ему о скрытой массе в галактиках. «И тут Сюняев сказал: “Яан, обрати внимание: твои модели никто не примет всерьез до тех пор, пока какой-нибудь американец не подтвердит твои результаты”. Предсказание Сюняева действительно сбылось… Наличие темной материи вокруг галактик заметили только после того, как принстонские астрономы и Вера Рубин подтвердили наши результаты».
Как бы то ни было, в середине последней четверти ХХ века существование некой загадочной скрытой массы в галактиках стало фактом. Этот феномен в наше время именуется темной материей. Темная материя — это нечто пока неизвестное, обладающее значительной массой и концентрирующееся в галактиках (но, судя по характеристикам вращения галактик, сгущения темной материи заметно превышают эти галактики по размеру).
Распределение темной материи. Скопления галактик показаны как светлые пятна в местах сгущения темной материи (темные линии).
Что это может быть?
Были версии, что астрономы не замечают небольшие тусклые звезды (какие-нибудь «черные карлики»), недооценивают количество пыли и газа в галактиках, не учитывают невидимые черные дыры. Но скоро стало ясно, что таким образом можно лишь слегка повысить массу «видимого» вещества, — а ее нужно было увеличить практически в шесть раз. Только в таком случае движение «видимой массы», сосредоточенной в основном в звездах, можно было объяснить.
В настоящее время главная гипотеза о природе темной материи сводится к следующему. Скорее всего, это неизвестный науке тип элементарных частиц — мельчайших кусочков материи с размером протонов или нейтронов. Но это не ставшие уже привычными нам протоны или нейтроны. Они не должны взаимодействовать (или совсем слабо взаимодействуют) с привычным нам веществом (теми же протонами). Они, судя по всему, не подчиняются так называемому сильному ядерному взаимодействию — силам, которые склеивают протоны между собой в ядре атома и не дают им разлететься под действием электрического отталкивания. Если бы частицы темной материи слушались сильного взаимодействия, они могли бы образовать ядра непривычных нам атомов.
Кроме того, частицы темной материи не должны подчиняться электромагнитному взаимодействию, а значит, не влияют на электромагнитное излучение (свет) — поэтому мы их и не видим.
Один из гипотетических вариантов еще не открытых частиц физики и астрономы назвали аббревиатурой WIMP [52], или просто вимпы. Если они существуют, то их можно почувствовать только по их гравитационному воздействию. Они присутствуют и в нашей Галактике, и в нашей Солнечной системе, находятся рядом с читателем этой книги и постоянно проходят его насквозь. Читатель, впрочем, этого не замечает, поскольку, как следует из их названия, они слабо взаимодействуют с веществом.
Особенности вращения галактик показали, что галактики могут быть наполнены газом, состоящим из этих частиц. Более того, облака темной материи, судя по имеющимся данным, значительно больше галактик. Скорее всего, галактики сформировались именно там, где есть сгущения темной материи.
В 1980-е годы уже упоминавшийся выше Джим Пиблс из Принстонского университета пришел к мысли, что факт существования темной материи может согласовать наблюдения флуктуаций реликтового излучения с теорией. Если в самом начале существования Вселенной помимо протонов, нейтронов и электронов появились еще и частицы темной материи, именно флуктуации их распределения могли привести к появлению у Вселенной структуры.
Флуктуации пространственного распределения вимпов [53], видимо, возникли еще в те ранние времена вскоре после Большого взрыва, когда еще не могли возникнуть флуктуации протонов, нейтронов и электронов из-за взаимодействия с фотонами. Фотоны, как было сказано выше, неизбежно должны были препятствовать росту флуктуации. Но вполне могли возникнуть флуктуации частиц темной материи, которые с фотонами не взаимодействуют. И когда по мере падения температуры протоны, нейтроны и электроны наконец смогли объединяться друг с другом, формируя атомы водорода (а также атомы гелия и небольшое количество дейтерия), уже существовали первичные флуктуации — сгущения темной материи. Собственно, в этих сгущениях под действием их гравитации и
