Дэйв Голдберг - Вселенная. Руководство по эксплуатации
Пространство между галактиками, даже если бы Вселенная обладала критической плотностью, еще в миллион раз менее плотно. Это значит, что на каждый кубометр пространства (это примерно объем вашего холодильника) приходится всего пять атомов водорода.
Вы, конечно, подозревали, что в космическом пространстве пусто. Потому-то оно и называется пространством. В некотором смысле.
Поскольку астрофизики не любят, когда у них в распоряжении остается так мало атомов, нас интересует, в сущности, только то, обладает Вселенная плотностью меньше критической или больше, поэтому мы определяем соотношение. Это соотношение сравнивает количество материи (любой материи) во Вселенной с количеством материи, которое мы ожидали бы при критической плотности. Это соотношение мы называем:
Ωм.
Если вы хотите рассказать маме, чему вас научила эта книга[99], а картинку по телефону не покажешь или просто бумажки под рукой нет, имейте в виду, что это называется «омега материи».
А сейчас мы испортим весь сюрприз и скажем, что по самым точным оценкам Ωм составляет 28 % (плюс-минус, крохотулечная погрешность) материи — именно такая доля вещества во Вселенной заставит ее схлопнуться. По мере расширения Вселенной материя в ней становится все более диффузной, так что с течением времени Вселенная будет казаться все более пустой. А значит, плотность Вселенной будет уменьшаться (пространства становится больше, а новой материи не вырабатывается), поэтому соотношение тоже будет уменьшаться.
Это очень важное число, особенно для чокнутых астрономов, и за последние два десятка лет основные усилия классической космологии были направлены на то, чтобы получить это число и еще несколько других[100], из которых можно вывести возраст, судьбу, будущее и прошлое Вселенной.
Но это число особенно важно, поскольку оно говорит нам, собирается ли Вселенная снова впасть в коллапс или будет расширяться бесконечно. Чтобы вычислить это соотношение, нам нужно измерить, сколько вещества нас окружает, и поэтому главный вопрос звучит так: как нам взвесить Вселенную?
В наблюдаемой Вселенной свыше 100 миллиардов галактик, и в них сосредоточена большая часть массы. Если мы сообразим, как взвесить галактики или скопления галактик, то просто сложим массу в пределах определенного участка пространства и вычислим таким образом плотность Вселенной.
V. Где же находится все вещество?
Незачем пытаться взвесить всю Вселенную — достаточно найти способ точно вычислять вес отдельных галактик, и дело в шляпе. Как вам такая мысль: посчитать, сколько в галактике звезд, и предположить, что все они примерно похожи на Солнце. В конце концов, когда смотришь на ночное небо, все, что видишь, — это звездный свет или, как в случае Луны и планет, отраженный звездный свет нашего же Солнца. Более того, в нашей Солнечной системе 99,99 % массы — именно звездная (масса Солнца), поэтому, наверное, предположение, что (практически) вся масса галактик сосредоточена в звездах, не такое уж и безумное. Если мы переработаем цифры в нашем навороченном компьютере, то получим универсальную плотность — ΩЗВЕЗД — всего в 0,2 %.
Это означает, что галактики, как и автоботы с децептиконами, не совсем то, чем кажутся. В большинстве галактик солидную долю «вещества» составляет огромное количество газа, который испускает рентгеновское излучение, а не видимый свет. Так что если вы когда-нибудь приведете любимую галактику в рентгенкабинет, доктор сразу скажет вам, сколько в ней газа, измерив рентгеновское излучение. Если вы включите в свои расчеты ту массу, которая найдется благодаря этому эффекту, и приплюсуете ее к массе звезд, то обнаружите, что Ωм составляет 5 %, то есть Вселенная по-прежнему, прямо скажем, пуста.
Эти пять процентов — своего рода сюрприз, причем неприятный. Они отражают количество массы, которое содержится в обычной материи — физики любят называть ее «барионы», а это, как вы помните[101], всего лишь протоны и нейтроны.
А значит, все элементы состоят из барионов, что, в свою очередь, значит, что все атомы и молекулы стоят из барионов, а из этого следует, что мы с вами, Солнце, Земля, звезды, газ, пыль и все, что вы видели или с чем имели дело, состоит из барионов. Есть уйма разных оценок, которые можно проделать, чтобы подсчитать количество барионов во Вселенной. По всем получается, что ΩВ, то есть доля критической плотности в барионах, составляет всего около 5 %.
Все было бы прекрасно, если бы не любопытное наблюдение, которое сделала в 1970 году Вера Рубин с коллегами. Она отметила, что звезды вращаются вокруг галактик и вся эта конструкция держится на гравитации. Если в галактике недостает массы, звезды от нее разлетятся. Именно это происходит, если, разухарившись, начинаешь вертеть вокруг себя раскидайчик и тут кто-то злокозненный перерезает шнурок. Раскидайчик больше не крутится по «орбите», а отлетает в сторону, вероятно, подбив кому-нибудь злокозненному глаз[102].
Суть вот в чем: мы измерим, с какой скоростью двигаются звезды вокруг центра галактики, если вычислим доплеровский сдвиг, а затем уже на основании этих данных оценим общую массу этой галактики. И знаете, что оказалось? Оказалось, что галактики примерно в шесть раз массивнее, чем мы думали! Иначе говоря, Ωм составляет около 28 %, но только в том случае, если мы предположим, что большая часть массы, около 85 %, состоит из некоей загадочной «темной материи», которую нам не видно.
Возможно, в наших выкладках есть какая-то ошибка, а может быть, мы что-то неверно измерили. Бритва Оккама велит нам считать самое простое решение самым лучшим, а гораздо проще сказать, что мы где-то ошиблись, чем сказать, что мы почему-то не видим 85 % массы Вселенной! Нужны дальнейшие изыскания.
В последние годы симпатичные умницы-астрономы стали для измерения масс галактик и скоплений галактик пользоваться техникой, известной как «гравитационные линзы». Эта техника опирается на то, что массивные объекты вроде галактик немного искривляют пространство, а лучи света следуют кривизне пространства. Например, если галактика, где находится Тентакулюс, расположена между Землей и другой, более далекой галактикой, изображение задней галактики будет искажено массой галактики Тентакулюса. Чем больше масса, тем сильнее искажение.
Поблизости от скоплений галактик этот феномен еще заметнее, поскольку скопления галактик иногда имеют массу в целый квадрильон (1015) масс Солнца. Если скопления искажают своей линзой галактики на заднем плане, то астрономы на Земле будут наблюдать эти галактики не в нормальном виде, а в виде всяческих дуг, а иногда одна и та же галактика будет представлена двумя изображениями — примерно как в лупу под определенным углом видно, скажем, два ваших указательных пальца вместо одного.
Налицо редкий случай, когда забавная картинка не поможет; взгляните на изображение скопления галактик Abell 2218, сделанное космическим телескопом «Хаббл».
Если приглядеться, станет видно, что некоторые галактики — очень яркие и округлые. Это галактики в скоплении. Однако, присмотревшись еще внимательнее, вы увидите, что на фотографии много узких продолговатых мазков и выгнутых дуг. Хотите верьте, хотите нет, это тоже обычные галактики, просто они (если смотреть с Земли) находятся за скоплением, и их изображения беспардонно искажены гравитационным полем.
Гравитационные линзы позволяют измерять массу галактик, а следовательно, и Вселенной, еще одним способом, и все вычисления приводят к одному выводу: во Вселенной вшестеро больше массы, чем суммарная «обычная» барионная масса. В 2006 году Маруся Брадач, которая тогда работала в Стэнфорде, и ее коллеги изучили столкновение пары скоплений, так называемое скопление «Пуля», и получили поразительные результаты.
Как мы уже видели, большинство обычной массы в скоплениях составляют не звезды, а горячий газ. Звезды, та часть галактик, которую мы видим глазами, — всего лишь крошечное меньшинство. Так что если бы эта темная материя — материя, неразличимая глазом, — на самом деле состояла из обычного вещества, можно было бы ожидать, что она будет образовывать те-же структуры, что и газ.
Так вот, Брадач и ее сотрудники обнаружили, что в скоплении не просто больше массы, чем масса газа, — хуже того, темная материя, судя по всему, находится даже не рядом с газом! Иначе говоря, даже хотя мы не знаем, что это такое — темная материя, зато знаем, как ее искать. К вопросу о том, что же такое на самом деле темная материя, мы вернемся в главе 9.
VI. Почему Вселенная ускоряется?
Примерно до 1998 года положение дел в космологии практически полностью определялось поисками темной материи. Поскольку результаты измерения массы галактик еще только ожидались, космологическое сообщество в большинстве своем было убеждено, что Ωм нужно дополнять до 100 %. Убедительных свидетельств в пользу обратного не было, а большинство теорий опиралось именно на это число[103].
