Темная сторона Вселенной

У черных дыр с математической точки зрения есть интересные свойства.

Например, математики обнаружили такую странную вещь: если две черных дыры соединить пространственно-временным туннелем, их еще называют «червоточиной» или «кротовыми норами», то путешествие (ныряя в одну и выныривая из другой черной дыры, пролетая через канал) могло бы сильно сократить расстояние между двумя точками в пространстве.

Математически это возможно. На самом деле — маловероятно. Однако то, что раньше казалось маловероятным, имеет обычай становится вполне возможным.

Обратимся к темной материи и темной энергии. Вот на этой круговой диаграмме показано распределение средних плотностей энергии и массы, заполняющих Вселенную.

В каких формах они находятся? Недавно нам казалось, что существует единственная форма вещества и энергии во Вселенной — это наше обычное вещество: протоны, электроны, нейтроны, кванта света. Оказалось, что всего лишь около пяти процентов Вселенной заключено в знакомом нам обычном веществе, из которого сделаны звезды, планеты, межпланетное вещество и межгалактическое.

А остальные 95%? Из них примерно треть приходится на темную материю, точнее говорить, конечно, в переводе с английского — это темное вещество. Как мы узнали о его существовании?

Мы можем измерять массы Галактик. Вот — огромная звездная система, подобная нашей Галактике.

Как мы измеряем массы Галактик? Во-первых, можем подсчитать количество звезд: можно посчитать сколько их, это метод, но он говорит нам о количестве масс звезд, заключенных в Галактики.

Может быть там еще какое-то вещество, и как его обнаружить? По притяжению. Мы измеряем с помощью телескопа скорость вращения Галактики вокруг центра и тогда можем построить зависимость скорости от расстояния до центра Галактики.

Чего мы могли бы ожидать? Раз все видимое вещество где-то тут в центре, то, удаляясь от центра, мы должны ожидать, как и в Солнечной системе удаляясь от Солнца, что скорость движения по орбитам звезд постепенно уменьшается.

А что показали наблюдение? Не уменьшается скорость. Мы удаляемся от центра. Мы же не видим там никакого вещества, а скорость вращения отдельных звезд по-прежнему очень высокая. Это реальные наблюдения в нашей Галактике.

Что это значит? Мы свою Галактику, конечно, со стороны не видим. Мы можем представить себе ее портрет — вот примерно так сегодня астрономы представляют нам внешний вид нашей Галактики.

Это — «звездный блин», быстро вращающейся вокруг центра. Но на самом деле, кроме этого светящегося звездного вещества вокруг и внутри него еще много невидимого, но очень массивного вещества — это та самая темная материя.

Она проявляет себя только притяжением. Она и не светится, и не задерживает свет, и никак иначе не проявляет себя. Только притяжение.

Суммарная масса темного вещества в Галактике больше, чем суммарная масса в видимой части Галактики.

Что это за вещество? Мы пока не можем понять. В физике такого вещества нет.

Физики ищут сейчас какие-то варианты вещества, а астрономы пока продолжают его «нащупывать» путем изучения гравитации.

Вот, например, шаровые звездные скопления, я уже говорил о них. Теперь они могут служить нам как индикаторы присутствия темного вещества в Галактике, и мы видим, что в других Галактиках шаровые скопления тоже иногда есть, но они разрушаются, двигаясь вокруг. Их разрушает их движение в этом темном гало.

Еще наблюдения, которые подтверждают существование темной материи, — скопления Галактик. Мы живем в одном из таких скоплений, другие Галактики образуют другие скопления. Чем они интересны?

Они обладают большой массой, могут искажать движение светового луча, приходящего еще от более далеких объектов к нам. Наше Солнце тоже это делает. Мы измеряем это искривление, но точно также большая масса в космосе может искривить световые лучи, если есть какое-то яркое тело за этим скоплением массы. Мы его увидим в виде некоего ореола, лучи к нам будут приходить с разных направлений.

Так как это не единое тело, а набор отдельных Галактик, то естественно лучи будут не очень хорошо сфокусированы, будут рваные изображения одного далекого объекта. Отдельные скопления Галактик как гравитационная линза преломляют ход лучей света, и мы видим изображение еще более далеких Галактик.

А что это нам дает? Мы по этим искажениям можем измерить суммарную массу, которая тут находится, и получается, что суммарная масса притягивающая свет, раз в десять больше, чем совокупная масса Галактик. Оказывается, в пространстве между галактиками тоже есть темное вещество.

Вот замечательный объект — так называемое столкновение двух скоплений Галактик. Одно скопление Галактик и другое. Когда мы смотрим на них с помощью не оптического телескопа, исследуем искажение света, то видим, что масса тут сосредоточена там же, где Галактика, а когда мы смотрим рентгеновским телескопом, то видим горячий газ между ними.

Эти два скопления столкнулись, пролетели одно сквозь другое, как два роя мошкары, и пошли каждый своим путем.

Газ, который был в них, столкнувшись, остановился и нагрелся, а масса пошла вместе с Галактиками дальше, и это говорит о том, что основная масса этих скоплений в форме темного вещества, которое не взаимодействует ни с газом, ни со светом. Она ведет себя как абсолютно проницаемое ничем не взаимодействующие вещество, только как носитель гравитации.

Я так подробно об этом говорил, чтобы убедить вас, что это не фикция, что это вещество существует.

Распределение Галактик в пространстве очень неоднородно, а мы точно знаем, что когда Вселенная рождалась, она была очень однородной. В чем же дело?

Теория нам показывает, что из однородного распределения возникло неоднородное под действием гравитации. Там, где было чуть больше плотности, туда вещество и стянулось. Сначала Вселенная была однородная, а к нашему времени выделились отдельные скопления Галактик.

Мы можем посчитать, какая гравитация могла обеспечить эту эволюцию за 13,5 миллиардов лет. Гравитация большая, а где ее носитель? Сами галактики, то вещество, которое в них сосредоточено в виде звезд, этого сделать не могли.

Нужен какой-то дополнительный источник гравитации, и вот как мы все это представляем.

Когда Вселенная взорвалась, она была очень горячая, почти однородная и был заполнена плазмой. Но в конце концов Вселенная остыла. Вещества остыли до такой степени, что электроны с протонами и нейтральные атомы водорода объединились. В этот момент вещество стало менее упругим.

Когда оно было в виде плазмы, оно было очень упругим, частицы света, фотоны, создавали определенную упругость, взаимодействуя с заряженными частицами, а когда вещество стало нейтральным, атомы водорода, гелия, частицы света, уже перестали взаимодействовать, и вещество получило возможность стягиваться туда, где избыточная гравитация.

Да, так бы могло быть, но оказывается гравитации самого вещества для этого не хватило, чтобы к нашему времени родились Галактики.

Если там помимо обычного вещества было раз в пять больше темного вещества, то его гравитация уже могла бы создать такие уплотнения, внутрь которых свалилось бы обычное вещество, обычный газ. Из него уже родились бы скопления Галактик.

Иначе мы себе не можем представить, как к нашей эпохе могли родиться Галактики, только при наличии темного вещества, которое являлось главным носителем гравитации.

Все это говорит о том, что примерно четверть состава нашей Вселенной заключена в каких-то невидимых формах вещества.

Физики пытаются его поймать в лабораторных условиях. Раз эти частицы ни с чем не взаимодействуют, то они легко проникают через все. Удивлю вас, сказав, что сейчас в той комнате где вы находитесь мимо вас и через вас летают частицы темного вещества, но мы их не замечаем, и даже тонкие физические приборы тоже их пока не замечают.

Это очень тяжелая очень кропотливая работа физиков экспериментаторов, которые создают такие приборы.

Часть своего времени я работаю в Новосибирске, в институте ядерной физики. Хорошо знаю, как мои коллеги создают эти приборы. Я преподаю там астрономию как раз студентам, которые будут в этих лабораториях через несколько лет работать.

Да, пока не удалось засечь, поймать эти частицы-носители темного вещества, но я уверен, физики народ упорный – поймают.