Несмотря на то что астрономы довольно долго шли к пониманию важной роли темной материи во Вселенной, лично я осознал это весьма быстро. В 1978 г. в Калифорнийском университете в Беркли, в ходе своего первого проекта после защиты диссертации, я определял скорости орбитального движения звездообразующих гигантских молекулярных облаков во внешней части диска нашей Галактики. Разработав наиболее точный метод измерения этих скоростей, я стал наносить полученные результаты (рукой на миллиметровку!) в общей комнате астрономического факультета. В тот момент в помещении находились еще два специалиста по Галактике -Фрэнк Шу (Frank Shu) и Айвэн Кинг (Ivan King). Они наблюдали, как я строил график скоростей внешних облаков, и полученная в результате картина показала нам, что Галактика очень богата темной материей, особенно во внешних областях. Мы сидели и размышляли над природой темного вещества, но все идеи, пришедшие нам тогда в голову, оказались ошибочными.
Это исследование, в числе многих других работ 1970-80-х гг., убедило астрономов, что темная материя - загадочная субстанция, которая не излучает и не поглощает свет, а проявляет себя только гравитационным воздействием, - не только существует, но и представляет собой основной компонент Вселенной. Измерения со спутника WMAP подтвердили, что масса темной материи в пять раз превышает массу обычного вещества - протонов, нейтронов, электронов и т.д. Но что это за невидимое вещество, до сих пор не ясно. О мере нашей неосведомленности говорит такой факт: самые скромные гипотезы предполагают, что темная материя состоит из экзотических частиц, не обнаруженных в ускорителях, но предсказанных до сих пор не доказанными теориями строения вещества; а наиболее радикальный взгляд заключается в том, что закон гравитации Ньютона и общая теория относительности Эйнштейна либо неверны, либо нуждаются в пересмотре.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. Темная материя - одна из величайших научных загадок наших дней, но астрономы смирились с ее существованием, поскольку это помогает найти ответ на многие другие космические загадки.
2. Чем бы ни была эта неведомая материя, она, по-видимому, может объяснить, отчего внешний край диска нашей Галактики так сильно искривлен. Обращающиеся вокруг Галактики карликовые галактики-спутники искажают ее диск, но их гравитационное влияние было бы слабым, если бы не усиливалось темной материей.
3. Другой вопрос, на который отвечает темная материя, - почему у Галактики меньше спутников, чем предсказывают модели. Возможно, спутников гораздо больше, но они почти целиком состоят из темной материи, которую трудно обнаружить.
Большое Магелланово Облако - крупнейший спутник нашей звездной системы; возможно, он влияет на темную материю Галактики
Но независимо от своей природы темная материя уже сейчас дает нам ключ к пониманию некоторых загадочных свойств Галактики. Например, астрономы уже более 50 лет знают, что внешние части галактического диска искривлены наподобие того, как коробится виниловый диск, оставленный на радиаторе. Но объяснить причину искривления не удавалось, пока не учли влияние темной материи. Точно так же компьютерное моделирование формирования Галактики, основанное на предполагаемых свойствах темной материи, показывает, что Галактику должны окружать сотни или даже тысячи маленьких галактик-спутников, а обнаружены пока лишь две дюжины из них. Это расхождение заставило ученых усомниться, действительно ли темная материя обладает теми свойствами, которые ей приписывают. Но недавно астрономы обнаружили еще несколько карликовых спутников, что немного улучшило ситуацию. Эти спутники не только помогают нам воссоздать историю формирования Галактики, но и дают более полное представление о космическом веществе.
Причина искривления
Первым шагом к пониманию роли темной материи в Галактике служит общий взгляд на ее строение. Обычное вещество - звезды и газ - образует четыре основных структуры: тонкий диск (включающий спиральные рукава и наше Солнце), плотное ядро (со сверхмассивной черной дырой), вытянутый балдж (называемый «баром») и сфероидальное гало из старых звезд и скоплений, охватывающее всю Галактику. Но темная материя распределена совсем иначе. Мы ее не видим, но догадываемся о ее наличии по скоростям движения звезд и газа. Ее гравитационное влияние на видимое вещество говорит о том, что эта материя распределена почти сферически и простирается далеко за границы звездного гало. Ее плотность максимальна в центре и уменьшается как квадрат расстояния от него. Именно такое распределение и должно было возникнуть в результате процесса, который астрономы называют иерархическим слиянием: считается, что в раннюю эпоху Вселенной маленькие галактики объединялись, образуя более крупные, в том числе и нашу Галактику.
Многие годы астрономы не могли продвинуться дальше представления о темной материи в виде огромного бесструктурного шара из неизвестного вещества. За последние несколько лет нам удалось понять многие детали: темная материя теперь выглядит интересней, чем представлялась до сих пор. Многие факты говорят, что это вещество распределено не равномерно, а собрано в огромные облака.
Такая неоднородность могла бы объяснить наблюдаемое астрономами искривление краев галактического диска. На расстояниях более 50 тыс. световых лет от центра диск почти полностью состоит из атомарного водорода и небольшого числа звезд. Наблюдения радиоастрономов показывают, что газ не сосредоточен в плоскости Галактики: чем дальше от центра, тем больше он изгибается. На расстоянии примерно 75 тыс. световых лет диск изогнут примерно на 7,5 тыс. световых лет по отношению к плоскости.
Ясно, что вращаясь вокруг центра Галактики, газовый диск еще и колеблется вверх-вниз относительно плоскости. Эти колебания охватывают периоды в сотни миллионов лет, и мы наблюдаем их в некоторый момент цикла. В сущности, газовый диск работает как гигантский, медленно вибрирующий гонг. Подобно гонгу, он может вибрировать на нескольких частотах, каждой из которых соответствует определенная форма поверхности. В 2005 г. я и мои коллеги доказали, что наблюдаемое искривление представляет собой сумму трех таких частот (самая нижняя на 64 октавы ниже «до» первой октавы). Суммарный эффект получается асимметричным: на одной стороне Галактики газ располагается над плоскостью, а на другой стороне - под ней.
Радиоастрономы, первыми заметившие это искривление в 1950-х гг., думали, что оно может быть результатом гравитационного влияния Магеллановых Облаков - самых массивных спутников нашей Галактики. Поскольку они движутся не в плоскости Галактики, их тяготение стремится исказить наш диск. Но детальные расчеты показали, что притяжение сравнительно легких Магеллановых Облаков слишком слабо, чтобы объяснить искривление галактического диска. Десятилетиями его причина оставалась неразрешимой задачей.
Темный молот
Осознание того, что Галактика содержит темную материю, наряду с более точным измерением массы Магеллановых Облаков (которая оказалась больше, чем думали) открыло новые возможности. Если газовый диск ведет себя как гигантский гонг, то движение Магеллановых Облаков сквозь гало темной материи должно действовать, пусть и не прямо, как удары молота по гонгу, который издает звуки на резонансных частотах. Облака создают свой след в темной материи, как лодка оставляет кильватерный след, плывя по воде. Вот так и за Облаками возникает неоднородность в распределении темного вещества. А это в свою очередь действует как молот, вызывая колебание мало массивных внешних частей диска. В результате, хотя Магеллановы Облака и малы, темная материя существенно усиливает их влияние.
Такую идею предложил в 1998 г. Мартин Вайнберг (Martin D. Weinberg) из Массачусетсского университета в Амхерсте. Затем мы с ним применили эту теорию к наблюдениям Галактики и обнаружили, что можем воспроизвести три типа колебаний газового диска. Если теория верна, то искривление диска Галактики должно вести себя активно: его форма меняется вследствие орбитального движения Магеллановых Облаков. Форма Галактики не постоянна, она непрерывно изменяется. (Видео этого процесса доступно на www.ScieTitificAmerican.com/oct2011/blitz. )
Искривление - не единственная асимметрия формы Галактики. Весьма не равномерна и толщина внешнего газового диска, что также было обнаружено с помощью радиотелескопов. Если провести линию от Солнца к центру Галактики и продолжить ее дальше до края, то обнаружится, что толщина газового слоя по одну сторону от этой линии в среднем вдвое больше, чем по другую. Эта сильная асимметрия динамически нестабильна: предоставленная сама себе, она должна выравниваться. Поэтому для ее поддержания требуется какой-то механизм. Астрономы 30 лет знали об этой проблеме, но «заметали ее под ковер». Однако новые детальные обзоры атомарного водорода в Галактике и прогресс в понимании не круговых движений газа не позволяют больше игнорировать эту асимметрию.
Появились два возможных объяснения, и оба учитывают темную материю. Либо Галактика сферическая, но не концентрическая со своим гало из темной материи, либо, как считают Канак Саха (Kanak Saha) из Института внеземной физики Общества Макса Планка в Гархинге и его коллеги, гало из темной материи само асимметрично. Обе эти идеи ставят под сомнение уверенность астрономов в том, что Галактика и ее темное гало сформировались одновременно при конденсации одного огромного облака. Если бы это было так, то обычное вещество и темная материя должны были бы иметь центры в одном и том же месте. Но асимметрия явно указывает на то, что Галактика образовалась при слиянии более мелких звездных си-
стем или же росла из-за постоянной аккреции межгалактического газа, - оба этих процесса не должны быть симметричными. Центр Галактики может быть смещен относительно центра темной материи, поскольку газ, звезды и темная материя ведут себя по-разному.
Для проверки этой идеи нужно исследовать длинные и тонкие потоки звезд, протянувшиеся по внешним областям Галактики. Это вытянувшиеся остатки прежних галактик-спутников. На орбитах вокруг нашей звездной системы в основном движутся сфероидальные карлики, названные так из-за их округлой формы и малой массы входящих в них звезд -примерно в 10 тыс. раз меньше массы звезд Галактики. Со временем эти карлики сходят с орбиты, и на них начинают действовать приливные силы Галактики. Это те же силы, которые создает Луна на Земле, вызывая дважды в сутки приливы и отливы морской воды. Карликовая галактика начинает вытягиваться и может стать узенькой лентой (см.: Гибсон Б., Иба-та Р. Призраки погибших галактик // ВМН, № 6, 2007).
Поскольку эти звездные потоки движутся вокруг Галактики на больших расстояниях от центра, где гравитационное влияние темной материи велико, форма потоков зависит от формы гало. Если гало не идеально сферич-но, а немного сплюснуто, то оно разворачивает орбиты звезд потока и вызывает заметное отклонение от движения по большому кругу. Однако потоки выглядят очень тонкими, и их орбиты вокруг Галактики близки к большим кругам. Компьютерное моделирование Родриго Ибаты (Rodrigo Ibata) и его коллег показало, что распределение темной материи близко к сферическому, хотя и может быть смещенным, как полагают Саха с коллегами.
Скрытые галактики
Если разрушение карликовых галактик вызывает некоторые вопросы, то об их возникновении известно еще меньше. Согласно современным взглядам, рождение галактик начинается с формирования скоплений темной материи, которые затем стягивают к себе газ и звезды, образующие их видимые части. Так рождались не только крупные галактики, такие как наша, но и многочисленные карлики. Эти модели довольно точно предсказывают свойства карликовых галактик, но их количество, согласно моделям, должно быть гораздо больше, чем реально наблюдается. Где же ошибка - в моделях или в наблюдениях?
Частично на этот вопрос ответил анализ Слоуновского обзора (Sloan Digital Sky Survey, SDSS), охватывающего примерно четверть всего неба. В ходе этого обзора обнаружили почти дюжину новых, очень тусклых галактик-спутников, что весьма удивительно: ведь наблюдения неба проводят давно, и трудно понять, как можно было не замечать таких близких соседей. Эти галактики называют «бледными карликами»; порой в них содержится всего несколько сотен звезд. Они такие тусклые и разреженные, что их невозможно разглядеть на обычном изображении неба. Нужна специальная техника обработки, чтобы их заметить.
Если бы Слоуновский обзор покрыл все небо, то обнаружилось бы еще около 35 бледных карликов. Но и при этом не были бы найдены все «скрытые» карлики. Поэтому астрономы думают над новыми методами поиска. Возможно, многие из этих галактик слишком далеки и недоступны современным телескопам. Слоуновский обзор может обнаруживать бледные карлики на расстояниях примерно до 150 тыс. световых лет. Эрик Толлеруд (Erik Tollerud) с коллегами
из Калифорнийского университета в Ирвайне считает, что около 500 не обнаруженных галактик удалены от центра нашей Галактики примерно на 1 млн световых лет. Астрономы смогут обнаружить их с помощью нового Большого обзорного телескопа (Large Synoptic Survey Telescope), который начнет действовать в марте следующего года. По площади объектива он в восемь раз превосходит Слоуновский телескоп.
Согласно другой гипотезе, вокруг Галактики обращаются спутники еще более тусклые, чем бледные карлики: возможно, они такие потому, что вообще не содержат звезд. Это почти чистая темная материя. Сможем ли мы когда нибудь заметить эти темные карлики, зависит от того, содержат ли они наряду с темной материей газ. Этот газ может быть очень разреженным и поэтому охлаждаться так медленно, что из него не формируются звезды. Но радиотелескопы, делая обзор больших участков неба, могут его обнаружить.
Но если эти галактики вообще лишены газа, то они могут проявить себя только косвенно, посредством гравитационного влияния на обычное вещество. Если одна из подобных темных галактик промчится сквозь диск нашей или какой-либо иной галактики, она оставит после себя «всплеск» - как брошенный в спокойное озеро камушек, - и это проявится как наблюдаемое возмущение в пространственном распределении или в скоростях звезд и газа. К сожалению, такой «всплеск» очень слаб, и астрономы должны убедиться в его подлинности, что нелегко. В дисках атомарного водорода у всех спиральных галактик наблюдаются возмущения, похожие на волны бушующего моря.
Если темная галактика достаточно массивна, то метод, который разработала Суканья Чакрабарти (Sukanya Chakrabarti) из Атлантического университета штата Флорида с коллегами, включая меня, позволит заметить ее движение. Недавно мы показали, что самые сильные возмущения на краях галактик - это приливные следы, оставленные пролетавшими мимо галактиками, и их можно отличить от других искажений. Анализируя возмущения, мы можем определить массу и текущее положение возмущающей галактики. Этим методом можно выявить галактики, масса которых в тысячу раз меньше массы главной. Применив этот метод к нашей звездной системе, мы пришли к выводу, что не обнаруженный и, возможно, совершенно темный спутник скрывается в галактической плоскости на расстоянии 300 тыс. световых лет от центра Галактики. Мы попытаемся найти этот карлик в ближнем инфракрасном диапазоне, используя данные космического телескопа «Спитцер».
Слишком мало света
Даже обнаружив бледные и темные галактики, астрономы часто затрудняются определить количество содержащегося в них вещества. Обычно это количество вычисляют по соотношению «масса - светимость»: масса вещества в галактике, деленная на полное количество излучаемого ею света. Как правило, это соотношение указывают в солнечных единицах. У Солнца отношение массы к светимости по определению равно 1. В нашей Галактике средняя звезда менее массивна и более тускла, чем Солнце, поэтому общее отношение «масса - светимость» всего светящего вещества в Галактике близко к 3. Но если учесть темное вещество, то полное отношение массы к светимости Галактики подскочит до 30.
Джош Саймон (Josh Simon) из Института Карнеги в Вашингтоне и Марла Геха (Maria Geha) из Йельского университета измерили скорости звезд в восьми бледных карликах для определения массы и светимости этих галактик. Отношение «масса - светимость» у них порой превышает 1000, что гораздо выше, чем у любой структуры во Вселенной. В целом темной материи во Вселенной в пять раз больше, чем обычной. Почему же отношение массы к светимости у нашей Галактики намного выше, а у бледных галактик оно еще значительнее?
Ответ может определяться либо числителем, либо знаменателем этого отношения: галактики с отношением массы к светимости выше среднего значения по Вселенной либо имеют массу больше ожидаемой, либо дают меньше света. Астрономы считают, что дело в знаменателе: огромное количество обычного вещества не излучает достаточно сильно, чтобы его можно было заметить. Причина в том, что это вещество либо не смогло скопиться в галактиках и превратиться в звезды, либо осело в галактики, но затем было выброшено обратно в межгалактическое пространство, где пребывает в ионизованном виде, недоступном для наблюдения при помощи современных телескопов [см.: Гич Дж. Потерянные галактики // ВМН, № 9. 2011). Маломассивные галактики, обладающие слабым притяжением, теряют больше газа, поэтому их светимость заметно снижается. Любопытно, что пытаясь решить проблемы с одним типом невидимого вещества (темная материя), мы приходим к мысли о существовании других его типов (обычного, но не обнаруженного вещества).
Загадка темной материи, много лет пребывавшая в спячке, стала сейчас самой резонансной областью исследований как в физике, так и в астрономии. Физики надеются обнаружить частицы темной материи, а астрономы исследуют поведение этого вещества. Но независимо от того, разгадали мы природу темной материи или нет, само ее наличие позволяет понять многие астрономические явления.