Доказательство существования Темной Материи

"Отбросьте все остальные факторы и тот, который останется, и будет единственно правильным" 

Шерлок Холмс, Знак Четырех, А. Конан Дойл

Астрономы уже очень давно для познания Вселенной используют тот тип работы детектива, который вынесен в эпиграф этой статьи. Cо времен феноменального успеха Исаака Ньютона в объяснении движения планет при помощи его теории гравитации и законов движения в 1687 году, астрономы всегда использовали понятие некоей невидимой материи для объяснения загадочных результатов наблюдений космических тел.

Так, например, аномальное движение Урана привело астрономов к мысли, что есть некая невидимая планета, которую открыли несколькими годами позднее, в 1846 году и назвали Нептуном. Эта процедура - по прежнему основной метод, при помощи которого открывают планеты у далеких звезд.

Та же логика привела к открытию в 1862 году, тусклого белого карлика Сириус В у яркого Сириуса.

С другой стороны, попытки объяснить аномалии движения Меркурия при помощи неизвестной планеты Вулкан не принесли успеха. Решением стала Общая Теория Относительности Эйнштейна, которая усовершенствовала теорию Ньютона.

Сегодня астрономы столкнулись с подобной, хотя и гораздо более серьезной проблемой. В отличие от случая с Ураном, когда сила притяжения Нептуна добавляет доли процента на гравитацию, действующую на Уран, дополнительная сила, которая действует в случаях, описанных ниже - несколько сотен процентов! Не будет преувеличением сказать, что решение проблемы темной материи станет фундаментальным изменением нашего понимания Вселенной.

Ниже мы даем доказательство существования темной материи. Возможность того, что эти наблюдения могут быть объяснены при помощи изменения теории всемирного тяготения, обсуждаются в отдельной секции (Альтернативы Темной Материи).

Определение гравитации галактики (Illustration: NASA/CXC)

Как взвесить спиральную галактику:

Измерить скорость вращения v облаков газа на расстоянии r

Вычислить центростремительное ускорение облаков = v²/r

Приравнять ускорение к силе притяжения материи M внутри орбиты = GM/r² (G - универсальная постоянная)

Решить уравнение для M = rv²/G.

Скорость вращения спиральных галактик.

Измерение ускорения материи, кружащейся по орбите вокруг некоего объекта - основной метод для определения его массы. Например, измерения центростремительного ускорения планеты на орбите вокруг Солнца на известном расстоянии, дает нам определение массы Солнца, которая нужна для создания такого ускорения.


Аналогично, астрономы могут измерить массу галактики, зная ускорение облаков на ее внешних границах. Первая работа в этой серии, проделанная Верой Рубин (Vera Rubin) и ее коллегами, показала, что к удивлению исследователей, требуемая масса спиральной галактики значительно больше, чем та, которую мы наблюдаем в виде звезд и газа. Почти в 5 раз больше!

Это открытие было подтверждено множеством последующих исследований, и общая картина, которую мы вывели из этих исследований - диск звезд и газа внедрен в большое сферическое гало из темной материи:

Анатомия Млечного Пути

• Сверхмассивная черная дыра в центре 
• Тонкий диск со звездами, газом и пылью 
• Шаровые скопления 
• Облако Темной Материи, включающей в себя большинство массы Галактики.

(Иллюстрация: NASA/CXC/M.Weiss) 

Горячий газ в эллиптических галактиках

У больших эллиптических галактик есть протяженные атмосферы из горячего газа, которые, как кажется, находятся в равновесии - давление горячего газа балансируется гравитационным притяжением всей массы галактики. Для измерения давления этого горячего газа можно использовать Чандру и другие рентгеновские телескопы, а наблюдения оптических телескопов помогут определить массу звезд.

Заключение: массы звезд и газа не достаточно, чтобы произвести нужную силу притяжения. Эллиптические галактики должны содержать в 5 раз больше массы в темной материи, чем та масса, которую дают все звезды и газ.

Хаотичные движения звезд в карликовых галактиках

Карликовые галактики - тусклые, ничем не примечательные системы, в которые всего несколько миллионов звезд, но они играют важнейшую роль в понимании темной материи. Измерения хаотичных движений звезд в близких к нам галактиках-карликах показывают, что этим галактикам нужно значительно больше темной материи, чем обычным. Поэтому они могут быть лучшими местами для поиска рентгеновских или гамма-лучей, которые производятся аннигиляцией частиц темной материи.

Горячий газ скоплений галактик 

Первое упоминание размера проблемы темной материи встречается в исследовании Фритца Цвикки (Fritz Zwicky) в 1933 году. Цвикки занимался спорадическими движениями галактик в скоплении Волосы Вероники. Он обнаружил, что для удержания скопления галактик нужно от 10 до 100 больше тяготения чем то, которое могут произвести все наблюдаемые там звезды.

Одним из объяснений может быть так называемая "исчезнувшая материя" в форме горячего газа, который остается невидимым для оптических телескопов. И действительно, в последния 20 лет рентгеновские телескопы обнаружили в скоплениях галактик обширные облака газа, нагретого до многих миллионов градусов. Эти облака горячего газа увеличивают массу скопления, но их недостаточно, чтобы решить эту тайну.

Более того, наличие горячего газа в скоплениях галактик дает независимое подтверждение темной материи. Также как и с гигантскими эллиптическими галактиками, измерения давления горячего газа в скоплениях галактик показывают, что там должно быть в 5-6 раз больше темной материи, чем мы сейчас наблюдаем, чтобы удержать весь газ скопления.

Комментарий д-ра Майкла: это цикл из 5 очень интересных статей о Темной Материи на сайте Чандры, постараюсь в следующие дни сделать и остальные...