Эдуард Кругляков - В защиту науки № 4
3.4. Эффект гравитационной линзы. Скопления галактик создают эйнштейновский эффект отклонения луча света полем тяготения. Источником света служат в этом случае далекие галактики и квазары. Изображения галактик искажаются при прохождении их света в гравитационном поле скопления, служащего своеобразной гравитационной линзой. Различают сильное и слабое линзирование. При сильном линзировании искажение столь значительно, что появляется несколько изображений источника. Это происходит в том случае, когда угловое расстояние между направлением на линзу и направлением на источник относительно невелико. При сравнительно больших угловых расстояниях искажение не так значительно (слабое линзирование) и оно сводится к изменению видимой формы источника, но уже без дробления его изображения. В обоих случаях этот эффект дает указание на массу скопления, служащего гравитационной линзой. Изучая такие искажения для сотен тысяч и миллионов далеких галактик, можно получить сведения о величине и распределении массы в скоплениях-линзах. Наблюдения такого рода неизменно показывают, что скопления содержат большие массы темной материи, которые в несколько раз превышают массу содержащегося в них обычного вещества.
3.5. Местная группа. Наша Галактика вместе с Туманностью Андромеды и несколькими десятками других (мелких) галактик образует систему, называемую Местной группой. Две основные галактики группы сближаются одна с другой, причем расстояние между ними и относительная скорость сближения могут иметь наблюдаемые значения только в том случае, если в объеме группы имеется темная материя, масса которой значительно (примерно в 5-10 раз) больше суммарной массы звезд всех её галактик.
3.6. Спутники Галактики. Наша Галактика окружена роем галактик-карликов, являющихся её спутниками. Наблюдаемая кинематика этих спутников позволяет оценить полную массу, которая удерживает галактики-карлики на их орбитах. Эта масса значительно (примерно в 5-10 раз) больше суммарной массы звезд Галактики и её спутников. Дополнительная невидимая масса — темная материя Галактики — образует протяженное невидимое гало (о нем выше уже упоминалось), внутри которого и движутся галактики-спутники. Радиус гало в 5-10 раз больше радиуса звездного диска Галактики.
3.7. Туманность Андромеды. Тот же эффект наблюдается и в кинематике карликовых галактик-спутников Туманности Андромеды. Это означает, что темная материя Местной группы сосредоточена главным образом в индивидуальных темных гало двух её гигантских галактик. Как и уже упомянутые факты, это обстоятельство доказывает, что темная материя — это среда, которая способна скучиваться под действием тяготения, в отличие от темной энергии, которая, скорее всего, однородно распределена в пространстве (см. ниже).
3.8. Тройные системы галактик. Наблюдаемая кинематика десятков тройных систем, образуемых крупными галактиками, подобными нашей Галактике, указывает на то, что в этих системах имеется темная материя, содержащаяся в основном в индивидуальных гало галактиках. И в этом случае масса темной материи также заметно (в 3-10 раз) больше суммарной массы светящегося вещества самих галактик.
3.9.Вращение спиральных галактик. Зависимость скорости вращения спиральных галактик от расстояния до центра галактики (кривая вращения) известна к настоящему времени для многих десятков изолированных галактик. Она прослеживается как внутри самой звездной системы, так и вне её (по движению облаков нейтрального водорода) вплоть до расстояний, превышающих в 3-10 раз радиус звездной системы. В области вне видимого диска галактики — там, где доминирует темная материя галактического гало, — кривая вращения становится, как правило, плоской, так что скорость вращения практически не зависит от расстояния. Во всех случаях ход этой «плоской» зависимости определенно указывает на присутствие темной материи и внутри звездной системы, и вне её, причем масса темной материи в гало галактики в 3-10 раз превышает массу звездной системы.
Заметим, что в прошлом предпринимались попытки объяснить быстрые движения галактик в скоплениях и «плоские» кривые вращения галактик без привлечения темной материи — путем модификации закона тяготения Ньютона на больших расстояниях. Однако от этой идеи пришлось все же отказаться ввиду того, что в этом случае для каждого индивидуального скопления и каждой индивидуальной галактики необходимо было вводить свою специальную модификацию тяготения.
3.10. Космогонический процесс. Темная материя сыграла ключевую роль в процессе формирования галактик и их систем. На это определенно указывают теоретические исследования и детальное компьютерное моделирование возникновения и эволюции крупномасштабной космической структуры. Без темной материи мир оказался бы совсем иным, совершенно не похожим на реальный. В нем не было бы, например, скоплений галактик с горячим рентгеновским газом.
Исключительно важно, что все перечисленные независимые результаты находятся в полном количественном согласии друг с другом. Это выглядит так, как если бы десять различных линий пересеклись в одной точке! Вот какова прочность эмпирической базы современной космологии.
Перейдем теперь к темной энергии. Указания на её существование вытекают из следующих ниже независимых данных.
3.11. Ускорение космологического расширения. Этот феномен (уже упомянутый выше) космологического масштаба был открыт по данным о нескольких десятках самых далеких сверхновых звезд. В настоящее время наблюдатели располагают материалом уже о двух сотнях этих звезд, и новые данные полностью подтверждают первоначальный результат. По этим наблюдениям удается количественно оценить плотность темной энергии как физического агента, создающего космическое антитяготение и вызывающего ускоренное расширение. Таким путем находят, что плотность темной энергии в наблюдаемой Вселенной в 3–4 раза больше средней плотности темной материи (см. выше). Неудивительно поэтому, что антитяготение, создаваемое темной энергией, сильнее в нынешнюю эпоху тяготения, создаваемого темной материей (вместе с барионами и излучением).
3.12. Критическая плотность. Точные измерения слабой анизотропии реликтового фона, детальное изучение его пятнистой структуры позволили установить, что трехмерное пространство Большого Взрыва является или строго плоским, или практически плоским (см. выше). Из этого обстоятельства вытекает один важный вывод. Согласно фридмановской теории, геометрия пространства однозначно связана с соотношением между полной плотностью мира и так называемой критической плотностью, которая определяется темпом расширения мира и выражается через постоянную Хаббла (коэффициент пропорциональности между скоростью и расстоянием в законе Хаббла — см. выше). При этом в случае плоского пространства плотность мира равна критической плотности. Но раз так, то по измеренному значению постоянной Хаббла можно оценить современную полную плотность мира, т. е. суммарную космическую плотность всех видов энергии во Вселенной. В среднем по большим объемам Вселенной она составляет приблизительно один эрг на сто кубических метров. Эту величину можно представить себе более наглядно, если, например, измерять энергию в единицах энергии покоя протона; тогда указанная плотность эквивалентна присутствию пяти протонов в каждом кубическом метре пространства.
Так как плотности темной материи, барионов и излучения известны из других независимых данных, отсюда следует возможность оценить плотность темной энергии как разности между полной плотностью и суммарной плотностью других видов космической энергии. Конечно, это косвенный метод оценки. Но результат важен как способ проверки прямой оценки, сделанной по наблюдениям сверхновых звезд. Оказывается, что обе оценки плотности темной энергии практически совпадают.
3.13. Возраст мира. Задолго до открытия темной энергии космологов тревожила одна трудная проблема: в космологических моделях, которые в 1960-1980-е гг. считались стандартными, время, протекшее от начала космологического расширения, оказывалось досадно малым — меньше возраста самых старых звезд Галактики. Конечно, этого не должно быть, и уже тогда И.С. Шкловский, Н.С. Кардашев, Я.Б. Зельдович высказывали предположение, что делу могло бы помочь всемирное отталкивание, описываемое эйнштейновской космологической постоянной: в моделях с отличной от нуля космологической постоянной возраст мира получался большим и вполне приемлемым (см., например, [7]). Так что сам по себе возраст самых старых объектов мира служит прямым указанием на существование антитяготения и темной энергии.
3.14. Местный хаббловский поток. Наблюдения движений галактик до расстояний 5–7 Мпк показали, что в этом сравнительно малом масштабе происходит регулярное разбегание галактик по закону Хаббла, причем постоянная Хаббла близка к значению 60–75 км/с/Мпк, которое известно по наблюдениям в гораздо больших масштабах. Этот местный хаббловский поток расширения может существовать и иметь наблюдаемые физические характеристики (постоянная Хаббла и дисперсия скоростей) только в том случае, если его динамика определяется как тяготением Местной группы, так и антитяготением темной энергии, равномерно распределенной во всем пространстве. Отсюда возникает возможность дать оценку плотности темной энергии в нашем ближайшем галактическом окружении: эта «локальная» плотность близка, как оказывается, к «глобальной» плотности (известной по наблюдениям сверхновых и реликтового излучения), а возможно, и точно совпадает с нею. При этом антитяготение оказывается сильнее тяготения уже на расстояниях, превышающих примерно 1–1,5 Мпк от нас. Местная группа галактик имеет радиус, не превосходящий 1 Мпк, и потому в ней преобладает тяготение, которое делает группу гравитационно связанной. А поток разбегания галактик начинается как раз на расстояниях, немного превышающих 1 Мпк, так что им управляет главным образом антитяготение темной энергии [5, 6].
