Почему небо темное. Как устроена Вселенная
Шрифт:
Прошло два десятка лет, и темная материя снова всплыла, но уже в совсем другом контексте. В 1959 году Кан и Вольтьер предположили, что сближение нашей Галактики и туманности Андромеды вызвано силами взаимного притяжения. Это дает возможность оценить их суммарную массу, которая оказалась в несколько раз большей, чем сумма индивидуальных масс. Кан и Вольтьер заключили, что эта недостающая материя существует в виде гало из горячего газа, окружающих галактики.
В 1960–1970-е годы появились технические возможности для массового измерения протяженных кривых вращения галактик в оптике и по наблюдениям в линии HI ( = 21 см). (Радиолиния атомарного водорода на 21 см является одной из самых популярных в астрономии. Излучение в этой линии обусловлено сверхтонким расщеплением основного уровня энергии атома водорода на два близких подуровня. По интенсивности этой линии можно
Плоские кривые вращения — это самый известный и наиболее часто упоминаемый довод в пользу окружающих галактики массивных невидимых гало. Смысл этого довода очень прост. Рассмотрим какой-либо сферический объект (например, Солнце) и расположенный за его пределами небольшой спутник (например, планету), обращающийся вокруг него по круговой орбите под действием гравитации.
Тогда скорость этого спутника выражается хорошо известной со школы формулой: = GM/r, где G — гравитационная постоянная, M — масса центрального объекта, а r — расстояние между центральным телом и спутником. Отсюда видно, что с удалением спутника его скорость должна уменьшаться как 1/r . Например, мы знаем, что Земля движется вокруг Солнца по почти круговой орбите со скоростью 30 км/с. Юпитер находится от Солнца примерно в 5.2 раза дальше и, следовательно, скорость его движения по орбите в 5.2 = 2.3 раза меньше, чем у Земли, и равна 30/2.3 = 13 км/с. Чем дальше планета от Солнца — тем медленнее она движется.
Реальные галактики не являются, конечно, сферически-симметричными и у них отсутствует четкая граница. Тем не менее, приведенная выше формула для круговой скорости в первом приближении применима и для них, только вместо полной массы в нее надо подставить массу, заключенную в пределах орбиты спутника. Итак, на основе простых соображений можно ожидать, что спектральные наблюдения галактик будут показывать их вращение в пределах оптических изображений, а затем должен наблюдаться спад, пропорциональный 1/r. В действительности все оказалось не так.
На рис. 32 представлена типичная кривая вращения спиральной галактики — она не показывает спад на периферии, а остается «плоской», то есть демонстрирует почти неизменную скорость, даже за пределами звездного диска!
Рис. 32. Наблюдаемая кривая вращения спиральной галактики NGC 3198 (штриховая линия). Две нижние непрерывные линии — кривые вращения звездного диска галактики и темного гало (ван Албада и др. 1985), Вдоль горизонтальной оси отложено расстояние до центра галактики в килопарсеках, вдоль вертикальной — скорость вращения в км/с.
Есть галактики, у которых плоская кривая вращения по радионаблюдениям в HI прослеживается до расстояний, в несколько раз превышающих размеры их звездных дисков. Если бы в галактиках были только звезды и немного газа, то скорость вращения должна была бы вести себя примерно как кривая «диск» на рисунке 32, — галактика закончилась на r ~10 кпк и далее круговая скорость должна быстро уменьшаться. Реальные скорости вращения на периферии большинства галактик остаются примерно постоянными, простейшим объяснением чего является наличие какого-то вещества, дающего большой вклад в полную массу галактик. На рисунке изображен вклад этого вещества (кривая «гало») в итоговую кривую вращения. Как видно на рисунке, гало из темной материи начинает заметно проявлять себя лишь на периферии звездного диска галактики и за его пределами.
Рисунок 32 иллюстрирует типичную кривую вращения спиральной галактики. Наблюдаются, конечно, и разнообразные отклонения, например, связанные с взаимодействием галактик друг с другом, но, в среднем,
Каждая массивная галактика, вроде Млечного Пути или туманности Андромеды, окружена целой свитой карликовых галактик-спутников. Кроме того, к этой свите можно отнести и систему шаровых скоплений, — компактных и массивных звездных скоплений, содержащих ~ 104–106 звезд, — которая в нашей Галактике прослеживается вплоть до нескольких десятков килопарсеков от ее центра. Естественно, что и движение этой свиты, и структура составляющих ее небольших галактик и шаровых скоплений должны определяться массой центральной галактики — например, приливная сила со стороны Галактики ограничивает размер и меняет структуру звездной системы, обдирая ее внешние области.
Наблюдения показали, что для объяснения динамических и морфологических характеристик систем спутников нашей и других ближайших галактик необходимо допустить, что массы центральных галактик в несколько раз превышают массу их звезд.
Галактики часто образуют физические пары с галактиками сравнимой массы (в состав двойных систем входят ~10 % всех галактик), группы из нескольких объектов (рис. 33), а также скопления — гигантские конгломераты, содержащие сотни и тысячи членов (рис. 16, 34). Если предположить, что такие системы являются гравитационно-связанными, то, зная лучевые скорости их членов, можно оценить характерный разброс скоростей галактик и оценить полные массы этих систем. Именно так действовали Цвикки и Смит, впервые обнаружившие темную материю в скоплениях Кома и Дева.
Рис. 33. Триплет галактик Агр 274. (Снимок космического телескопа «Хаббл»)
Сейчас изучены уже тысячи различных систем галактик от масштабов двойных систем (десятки кпк), до скоплений галактик (тысячи кпк). Основной результат этих работ: скрытая масса присутствует на всех уровнях иерархии галактик, причем ее вклад растет с увеличением масштаба — в двойных системах она превышает вклад «светящейся» материи в разы, а в скоплениях галактик — в десятки-сотни раз.
Наблюдения на орбитальных обсерваториях («Ухуру», «Эйнштейн» и др.) показали, что гигантские эллиптические галактики и скопления галактик излучают в рентгеновском диапазоне. Источником этого излучения является горячий (~ 106–108 К) газ, образующий протяженные короны вокруг эллиптических галактик и заполняющий скопления. Масса этого газа относительно велика — например, в скоплениях она составляет ~10–20 % полной массы.
Если бы в галактиках и в скоплениях ничего, кроме звезд и газа, не было, то создаваемое ими гравитационное поле было бы недостаточным для удержания столь сильно нагретой среды. Оценки содержания скрытой массы, необходимой для удержания горячего газа в скоплениях, согласуются с динамическими, полученными по скоростям движения галактик.
Предыдущие свидетельства существования темного вещества были основаны на его гравитационном влиянии на звезды и газ, однако есть еще один вид материи, на который влияет гравитационное поле — электромагнитное излучение, свет. Именно этот эффект — отклонение лучей света фоновых звезд Солнцем — послужил, кстати, одним из первых тестов общей теории относительности.
Итак, если между далеким источником (например, галактикой) и нами есть какой-то массивный объект (например, скопление галактик), то изображение этого источника исказится весьма специфическим образом. Наиболее эффектные, известные в настоящее время, гравитационные линзы — это, конечно, богатые скопления галактик, на периферии которых часто наблюдаются дуги или арки, являющиеся усиленными и искаженными изображениями фоновых галактик (рис. 34). Расположение и форма этих дуг зависят от распределения массы в скоплении и поэтому их можно использовать для реконструкции его потенциала. Детальное моделирование ряда таких скоплений подтвердило оценки их масс, найденные динамическим методом и по горячему газу — массы скоплений галактик многократно превышают суммарную массу входящих в них галактик.