Невидимую материю, т.е. не излучающую и не поглощающую свет, астрофизики называют темной и обнаруживают по создаваемой ею гравитации. Она присутствует везде - от галактических масштабов до сверхскоплений галактик. По массе ее гораздо больше, чем видимой материи, но что она представляет собой на самом деле - загадка. Вероятно, это еще не открытые элементарные частицы или маломассивные черные дыры и гипотетические кротовые норы. Об этом рассказал в своей английской статье член астрокосмического центра Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (Москва) и Международной академии им. Нильса Бора (Копенгаген, Дания), член-корреспондент РАН Игорь Новиков. Перевод сделан членом-корреспондентом РАН Виктором Абалакиным и опубликован в журнале "Земля и Вселенная".

Итак, природа темной материи - одна из главных загадок современной космологии. У открытия и исследования данного феномена довольно долгая история. Уже на протяжении 85 лет специалисты увлечены данной темой. Ныне же эта проблема - основная во всей астрофизике.

Еще 30 и даже 20 лет назад астрономы полагали: масса темной материи, преобладающей во Вселенной, определяет ее динамику и кривизну трехмерного пространства. Но сегодня нам известно гораздо больше. Наблюдение в пределах измерений температуры анизотропии в космическом микроволновом фоновом излучении (а оно появилось сразу же после рождения Вселенной и несет важную информацию об ее эволюции), данные о степени распространения гелия и других легких элементов и образовании структуры Вселенной указывают: обычная материя (барионная*) ответственна приблизительно за 4% материального содержания космоса. Получается, звезды, планеты, газ, пыль и мы сами состоим из нее, а остальные 96% - это "темный" сектор с приблизительно 23% темной материи и примерно 73% темной энергии. Известно: рассматриваемая материя вызывает эффект гравитационного притяжения, как и обычная, а темная энергия, наоборот, - гравитационное отталкивание. Последняя реально преобладает во Вселенной, хотя о ее физической природе специалисты пока ничего не знают.

Темная материя оказывает гравитационное влияние на распространение света от удаленных источников (так называемое гравитационное линзирование). Важная доля информации также поступает из анализа космического микроволнового фонового излучения и процесса образования структуры Вселенной из малых начальных неоднородностей. А ведь именно интересующая нас сила гравитации темной материи необходима для формирования галактических скоплений и галактик. Большинство космологов, констатирует Новиков, развивает идею о типе темной материи, называемой холодной. Многие из них убеждены: она состоит из частиц, образовавшихся в раннем, горячем периоде эволюции Вселенной, однако еще существующих и в наше время. Список же элементов, которые могут входить в них, весьма обширен:

* Барионные (тяжелые) элементарные частицы с массой не меньше, чем у протонов, участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях (прим. ред.).

Гигантское скопление галактик CL0025+1654, находящееся в 4,5 млрд. световых лет от нас. Снимок сделан 14 августа 2003 г. космическим телескопом "Хаббл". NASA. Жан-Поль Кнайб.

Область горячего газа во Вселенной. Снимок сделан 4 апреля 1999 г. Международной космической рентгеновской обсерваторией "ROSAT". NASA. Роберт Немиров, Джерри Боннелл.

это, в основном, гипотетические частицы - скажем, аксионы или суперсимметричные реликты. Ныне запущены эксперименты по прямому и косвенному их поиску. В результате вполне возможно и прямое нахождение темной материи, но, по мнению автора статьи, физическая природа ее остается тайной.

Между тем, помимо пока неизвестных науке частиц, интересных для физиков, существуют и другие объекты, из которых может состоять темная материя. Некоторые из них сами по себе удивительны - и, кстати, не менее важны для развития науки: это релятивистские темные тела (первичные черные дыры и кротовые норы).

Гипотеза о существовании первичных черных дыр также имеет весьма долгую историю. Благодаря исследованиям, проведенным отечественными учеными академиком Яковом Зельдовичем и Игорем Новиковым в 1961 г., а в 1971 г. английским физиком-теоретиком Стивеном Хокингом, можно сделать вывод: на ранних стадиях во Вселенной (около 13 млрд. лет назад) существовали крошечные черные дыры, их массы могли быть меньше, чем у звезд. Расчеты показывают: те из них, чьи начальные массы были менее миллиарда тонн, к настоящему времени полностью потеряли энергию из-за квантового излучения; более тяжелые сохранились до наших дней.

Главный вопрос - можно ли обнаружить их астрономическими средствами, если они реально существуют во Вселенной? Чтобы найти малые черные дыры, необходимо знать излучение их жестких кван-

Спиральная галактика М83 (NGC 5236) в созвездии Гидры, расположенная в 15 млн. световых лет от нас. Снимок сделан 25 мая 1998 г. в Обсерватории Китт Пик (США). Алабамский университет. Уильям Киль.

тов. Наблюдение последних существенно способствовало бы отождествлению первичных черных дыр, но до сегодняшнего дня ни одна из них не обнаружена. Установлено лишь следующее: число черных дыр с массой около миллиарда тонн не превышает одной тысячи на кубический световой год. Если бы их было больше, то существовала бы возможность вычислить их суммарное излучение. Квантовое же излучение массивных первичных черных дыр незначительно, поэтому их можно включить в число объектов, входящих в темную материю. В 1994 г. отечественные астрофизики Павел Иванов, Павел Насельский и Игорь Новиков, работавшие в датском Центре теоретической астрофизики, указали на эту перспективу. Одновременно появилось сообщение, что обнаружено микролинзирование звезд в Большом Магеллановом Облаке массивными компактными гало-объектами нашей Галактики. Среди прочих была выдвинута и такая идея: подобными объектами могли быть черные дыры. Новое открытие добавило аргументы в пользу теории о том, что холодная темная материя состоит из первичных черных дыр.

Впрочем, подчеркивает автор статьи, не стоит забывать и о первичных кротовых норах. Согласно общей теории относительности, это сильно искривленное пространство в виде тоннеля, соединяющего два входа в него. Материя или излучение, попадая в одну из дыр, рассеиваются по всему объему тоннеля и соответственно выходят наружу уже из другой дыры. Или наоборот. По одной из гипотез, эти первичные норы, скорее всего, существовали в начале расширения Вселенной. И могли сохраниться в дальнейшем. Отметим: квантовое испарение (так называемое хокинговское) не влияет на такие объекты, поэтому они сохраняются в течение космологических промежутков времени, если не подвергаются иным неустойчивостям. Исходя из этого, нельзя исключить: некоторая часть холодной темной материи состоит и из кротовых нор.

Итак, делает вывод Новиков, темные объекты - первичные темные дыры и кротовые норы - могут разрешить загадку темной материи. Но насколько удачными (или неудачными) являются выдвинутые концепции, будет ясно, лишь когда станут известны результаты наблюдений по изучению холодной темной материи с помощью, в первую очередь, космической обсерватории "Планк", запущенной 14 мая 2009 г. в рамках Европейского космического агентства Horizon-2000 и названной в честь выдающегося немецкого физика Макса Планка (1858 - 1947).

Новиков И. Темные объекты и темная материя. - Журнал "Земля и Вселенная", 2009. N 5

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: