Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Кристиансен Йостейн Рисер

MACHO представляют собой попытку решить проблему темной материи, не привлекая никаких новых экзотических частиц. И сама по себе эта идея неплоха. Зачем городить новый гипотетический огород, когда темную материю можно трактовать как обычную, просто невидимую? Проблема в том, что идея «МАЧО» не объясняет всех наблюдений, ради которых нам и понадобилась темная материя. Больше всего в глаза бросается реликтовое излучение, образовавшееся задолго до того, как звезды и им подобные объекты появились во Вселенной. В тот период субстанция, называемая сегодня «МАЧО» вела бы себя точно так же, как другая обычная материя. Очевидно, что для объяснения реликтового излучения этого недостаточно. А еще нам нужна несталкивающаяся частица, но и тут «МАЧО» в пролете. Есть и другая проблема: постоянно совершенствующиеся наблюдения за гало Млечного Пути указывают на то, что количество «МАЧО» не хватает для объяснения быстрого вращения Галактики. Когда-то идея о том, что большую часть темной материи составляют именно «МАЧО», пользовалась популярностью, особенно в 1990-х годах. Но в настоящее время от нее практически отказались.

2.14. Проклятие карликовых галактик

Темная материя могла показаться вам волшебным ингредиентом, при добавлении которого теория и наблюдения идеально совпадут друг с другом. Но вот факт существования наблюдений, скорее опровергающих наличие большого количества темной материи во Вселенной, мы как-то упустили из виду. Больше всего чувства фанатов темной материи задевают карликовые галактики.

Помните, я упоминал карликовые галактики, когда говорил о телескопе «Ферми»? Это небольшие галактики, которые обычно обращаются вокруг более крупных, и мы знаем более 20 таких карликов, вращающихся вокруг Млечного Пути. 20 — это уже немало, но на самом деле их должно быть еще больше!

(На настоящий момент их более шестидесяти. Редактор.)

Астрофизики пришли к этому выводу благодаря компьютерному моделированию эволюции Вселенной. Если мы попытаемся смоделировать формирование галактик во Вселенной, в которой темной материи в пять раз больше обычной, то появится целая уйма карликовых галактик. Количество этих галактик в симуляции где-то в десять раз превосходит то, что мы наблюдаем в действительности. Компьютерное моделирование расходится с реальностью. Получается, весь сценарий с темной материей потерпел крах? Вовсе нет. Учитывая, что темная материя так хорошо справлялась с объяснением столь многих различных свойств Вселенной, то всего нескольких пропавших без вести карликовых галактик будет маловато для опровержения целой концепции.

Тем не менее проблему карликовых галактик не стоит сбрасывать со счетов, и многие исследовательские группы как раз изучают, почему мы видим так мало таких галактик. К счастью, на это может быть сразу несколько причин.

Одна из возможных причин проблемы — недостаточно совершенные компьютерные модели. Все-таки воссоздание процесса рождения галактик на компьютере — задачка не из легких. Необходимо учитывать абсолютно все: от гравитационных сил, действующих на больших расстояниях, до того, что происходит, когда массивные звезды умирают и взрываются. Как бы это странно ни звучало, но моделирование галактик намного сложнее в исполнении, чем, например, моделирование условий во Вселенной уже после появления реликтового излучения. Можно предположить, что по мере совершенствования технологий расхождение между моделью и реальностью уменьшится. Например, более важную роль начинают играть взрывающиеся звезды, то есть сверхновые. Ударная волна от взорвавшейся огромной звезды могла бы выдуть большую часть обычного вещества из карликовой галактики. Несталкивающая ся же темная материя не станет обращать внимания на какие-то ударные волны и прочую чепуху и может спокойно остаться в маленьких галактиках. И тогда в карликовых галактиках будет настолько мало обычного вещества, что их вообще будет трудно заметить.

В последние годы астрономы обнаружили несколько карликовых галактик вблизи Млечного Пути. Похоже, моделирование и практические наблюдения постепенно начинают все больше соответствовать друг другу. Может, проблема с пропавшими карликовыми галактиками не так уж и велика?

Другие исследователи используют карликовые галактики как отправную точку для новых гипотез о сущности темной материи. Например, одна исследовательская группа предположила, что темная материя может быть не полностью невидимой, а лишь почти невидимой. А еще — что темная крайне редко, но все же взаимодействует со светом. Когда они пытаются включить такие причудливые частицы темной материи в свои модели, получается, что карликовых галактик образуется меньше. Но чтобы такая модель была способна выдержать критику, она должна быть в состоянии дать ответы на все вопросы о темной материи. А для этого придется снова проводить множество расчетов и строить модели. К тому же нужно будет как-то объяснить, почему до этого частиц темной материи не обнаружил ни один эксперимент.

Охота на темную материю — это огромный пазл, и многим кусочкам еще только предстоит оказаться на своем месте. Карликовые галактики — один из таких кусочков. Подавляющее большинство астрономов, в том числе и я, практически уверены, что темная материя существует, несмотря на проблему карликовых галактик.

Тем не менее многие без особого энтузиазма относятся к перспективе поиска огромного количества невидимой материи для объяснения наблюдаемой нами Вселенной. Не являясь ярыми противниками концепции темной материи, они, однако же, считают разумным рассмотреть альтернативные варианты. Ведь для развития науки такие альтернативные идеи абсолютно необходимы. В этом и заключается суть науки: разные идеи сталкиваются друг с другом, пока практические наблюдения за реальностью в конце концов не определят победителя. Но какие могут быть альтернативы у темной материи?

2.15. А что, если темной материи не существует?

Пока я приводил аргументы только в пользу существования темной материи. Сначала я перечислил серию наблюдений, которые трудно было бы объяснить без темной материи: мы изучили гравитационное линзирование, скопление галактик Пуля, скорости галактик и их скоплений, кривые вращения спиральных галактик, а также неоднородность реликтового излучения. У многих наблюдений есть нечто общее: они жаждут, чтобы мы ввели во Вселенную дополнительные гравитационные силы. Например, нам нужна дополнительная гравитация для того, чтобы звезды не разлетелись в разные стороны из вращающихся галактик, а сами галактики — из скоплений галактик. Из этой ситуации мы выходили, вводя темную материю, которая решала наши проблемы, добавляя недостающие гравитационные силы. Но существует и альтернативный подход. Давайте представим, что никакой темной материи не существует. Правда, даже в этом случае нельзя сбрасывать со счетов наблюдения, указывающие на недостаток гравитационных сил. Но вместо того, чтобы вводить невидимую таинственную субстанцию, которая создает эти гравитационные силы, мы можем предположить, что несостоятельна сама теория. Но разве наши законы гравитации уже не прошли всевозможные проверки? Имеет ли смысл вообще о них рассуждать? Понятное дело, убедиться в точности законов гравитации можно, бросая камни с высоких башен, проводя эксперименты с маятниками или изучая движение планет и спутников в Солнечной системе. В результате подобных экспериментов создается впечатление, будто этот вопрос мы изучили досконально. Но ведь и гравитационные аномалии возникают не в Солнечной системе, а в отдаленных галактиках, скоплениях галактик или во всей Вселенной. А ведь галактики в разы крупнее нашей Солнечной системы — речь идет о расстояниях, более чем в миллиард раз превышающих расстояние между Землей и Солнцем. Наверняка мы знаем, как работает гравитация только в Солнечной системе. Откуда наша уверенность, что в далеких галактиках все так же, как у нас?

Итак, выбор не особо велик: либо мы вводим новые частицы, либо пересматриваем сам закон гравитации. Сторонники есть у обоих подходов, хотя желающие изменить закон гравитации все же остаются в меньшинстве. В истории астрономии подобные конфликты уже случались. Давайте подробнее рассмотрим крайне показательный пример с планетами нашей Солнечной системы.