Дмитрий Вибе: Грядёт просветление?

Дмитрий Вибе: Грядёт просветление?

Автор: Дмитрий Вибе

Опубликовано 20 апреля 2012 года

Тёмное манит и завораживает. Темнота — друг молодёжи. Нас тьмы, и тьмы, и тьмы. В кино циничные остроумные Тёмные зачастую более симпатичны, чем правильные занудные Светлые. Несмотря на многочисленные астрофизические загадки, связанные со светящимся веществом, воображение сильнее волнует тёмная материя. Разбор нестыковок с излучением кажется не более чем уточнением уже известных деталей, темнота же обещает приоткрыть дверь в новую физику.

Неудивительно, что исследованиям тёмной материи (ТМ) посвящено огромное количество статей, публикуемых в профессиональной литературе. (Кстати, по-русски, наверное, правильнее говорить "тёмное вещество", однако Гугл даёт на порядок больше ссылок по запросу "тёмная материя", что есть калька с английского "dark matter".) Как можно исследовать то, что не светится, если единственный источник информации в астрономии — электромагнитное излучение? Да так же, как и многое другое — по косвенным признакам.

Напомню вкратце суть проблемы. Основным фактором, двигающим предметы на больших масштабах, в нашей Вселенной является гравитация. Наблюдая за движением тел, можно делать выводы о гравитационном поле, в котором они движутся, и о массе, которая порождает это поле. Так вот, в целом ряде случаев гравитационное поле как будто бы есть, а источник его увидеть не удаётся. В частности, движение звёзд в галактиках и галактик в скоплениях происходит со скоростями, сильно не соответствующими распределению "светлого" вещества, которое можно наблюдать непосредственно. Отсюда и возникает предположение о наличии ещё и "тёмного" вещества, которое само не светится, но проявляет себя через гравитационное воздействие на светящиеся тела.

На существование тёмного вещества указывает несколько разных свидетельств, согласующихся между собой. Поэтому для отказа от предположения о тёмном веществе недостаточно найти иное объяснение, например, только движению звёзд в галактиках. Тем не менее, попытки "закрыть" тёмное вещество не прекращаются. Только за последние десять дней появилось два крупных исследования, так или иначе "копающих" под ТМ.

Одно из них удостоилось даже пресс-релиза ESO. Кристиан Мони-Бидин из Университета Косепсьона (Чили) и его коллеги предприняли попытку определить содержание тёмного вещества в окрестностях Солнца. Если неведомая субстанция, тяготение которой заставляет быстрее двигаться периферийные звёзды, заполняет всю Галактику, логично ожидать, что она есть и где-то рядом с нами.

Правда, много её вблизи Солнца быть не должно; всё-таки существенные отклонения скоростей галактического вращения от кеплеровского начинаются гораздо дальше от центра Галактики. В окрестности же Солнца прежние оценки давали для плотности ТМ величину порядка 0.01 массы Солнца на кубический парсек — на порядок меньше, чем плотность "нормального" вещества. Эта величина, правда, отягощённая значительной погрешностью, вполне согласовывалась с моделями глобального распределения тёмного вещества по Галактике.

Мони-Бидин и его коллеги решили уточнить плотность тёмного вещества, измеряя движение звёзд на больших галактических высотах, вплоть до 4 кпс от диска. В этом случае и охват вертикального распределения тёмного вещества оказывается более полным, и кинематику звёзд проще интерпретировать, чем в диске. По итогам исследования выяснилось, что в пределах точности измерений плотность ТМ в окрестностях Солнца почти в десять раз уступает теоретическим предсказаниям, а может быть и вообще равна нулю. Иными словами, движение звёзд в локальном объёме Галактики полностью согласуется с распределением видимого вещества.

Очень важные слова здесь — в окрестностях Солнца. Результат чилийских астрономов в целом не решает проблему тёмного вещества, а усугубляет её. Возникла такая жизненная аналогия (некорректная, как все аналогии): вы смотрите по сторонам и видите большое количество яхт и дворцов. У вас возникает подозрение, что в стране много денег, настолько много, что часть их должна оказаться и в вашем кармане. Прямое исследование кармана не подтверждает это предположение — он трагически пуст. Однако яхты и дворцы от этого никуда не делись. Так и с тёмной материей — её отсутствие в ограниченном объёме Галактики не решает проблему плоской кривой вращения. Так что кричать: "Ура-ура! Я знал, что тёмной материи не существует!" — пока рано.

Отсутствие или, по крайней мере, очень низкая плотность тёмной материи вблизи Солнца заставляет усомниться в перспективах обнаружения частиц ТМ на Земле. С другой стороны, возможный отрицательный результат этих поисков становится менее убедительным, ибо, судя по представленным результатам, не будет свидетельствовать в пользу отсутствия ТМ вообще, но лишь подтвердит её недостаток вблизи Солнца.

Вторая статья написана известным специалистом по звёздной динамике Павлом Кроупой. Она, по сути, не содержит новых результатов, а только обобщает то, что Кроупа говорил и писал на протяжении последних лет. Он выступает не только против ТМ как таковой, но и против её космологического воплощения — модели Lambda-CDM, в рамках которой сейчас объясняется происхождение структур во Вселенной. Эта модель успешна используется в объяснении различных наблюдательных данных, но наталкивается на противоречие, называемое проблемой отсутствующих спутников.

В современном варианте модель Lambda-CDM предсказывает, что крупные сгустки ТМ (гало), в которых "сидят" большие галактики, подобные Млечному Пути, должны быть окружены сотнями мелких сгустков ТМ (субгало), в которых (казалось бы) должны "сидеть" карликовые галактики-спутники. Так вот, вокруг Млечного Пути известных спутников на самом деле не сотни, а всего пара-тройка десятков. К тому же распределены они не сферически-симметрично, а в виде протяжённого блина, наклонённого к плоскости Млечного Пути.

Кроупа и его коллеги считают, что этот "диск спутников" (DoS, Disk of Satellites) возник не в момент образования Галактики, а несколько позже, в результате какого-то процесса, не связанного непосредственно с формированием структуры Галактики. Поэтому проблема отсутствующих спутников (считает Кроупа) существенно более серьёзна: карликовых галактик, предсказываемых моделью Lambda-CDM, не просто мало. Их вообще нет.

Интересно, что Кроупа постарался написать статью не в повествовательном стиле, типичном для астрономических статей, а с некоторой претензией на математическую строгость — с доказательством теоремы, гипотезами, кванторами, даже с диалогами. Однако мне показалось, что автор, весьма критически настроенный по отношению к оппонентам, сам допускает некоторую лёгкость в обращении с терминами.

Его главный тезис звучит так. Модель Lambda-CDM предсказывает, что вокруг нашей Галактики и вокруг других галактик должно быть очень много галактик-спутников. Этих спутников нет, а те, что есть, не подходят. На это ушло примерно тридцать страниц из пятидесяти: Кроупа обстоятельно доказывает, что спутники Млечного Пути и другие карликовые галактики относятся к однородному населению, которое не похоже на то, что должно было сформироваться в субгало тёмной материи. Предсказание модели не выполнено, значит, модель неверна.

Игра с терминами тут происходит такая. Модель Lambda-CDM предсказывает наличие субгало. Она, вообще говоря, не гарантирует, что в них образуются галактики. Кроупа же использует термины "субгало" и "карликовая галактика" чуть ли не как синонимы. Далее, он не различает формулировки "галактик нет" и "галактики не наблюдаются". Народ же сейчас пытается найти решение проблемы отсутствующих спутников, именно отвечая на вопросы: обязательно ли в субгало образуются галактики и, если да, то обязательно ли они обнаружимы современными средствами? Кроупа мельком упоминает эту возможность, но отбрасывает её, поскольку "нет известного механизма, который мог бы это устроить". Но "нет механизма" и "нет известного механизма" — тоже разные вещи.

Кроме того, мне кажется, что приписывание спутникам Млечного Пути какой-то иной, не космологической, природы не особенно усугубляет проблему отсутствующих спутников. Если нехватка исчисляется сотнями, не так важно, есть их пара десятков или нет вообще. Если вам нужно за что-то заплатить тысячу рублей, для вас не так уж критично, по-прежнему трагически пуст ваш карман или же в нём завалялись две десятирублёвые монетки. То есть, проблема есть, проблема очень серьёзная, но сильно хуже модели Lambda-CDM от выводов Кроупы не становится.

Как я уже писал, на существование тёмной материи указывает несколько разных, но согласующихся между собой фактов. К сожалению, выходя за пределы проблемы карликовых галактик, Кроупа становится очень лаконичен, по сути, лишь констатируя (впрочем, с указанием источников), что все прочие проблемы можно решить вне стандартной космологии, например, в рамках модифицированной ньютоновской динамики (МОНД).

Суть последней сводится к тому, что мы ошибочно экстраполируем закон всемирного тяготения, проверенный только на масштабах Солнечной системы, на галактические и межгалактические расстояния. "Лишняя" масса появляется потому, что мы применяем этот закон там, где он уже не действует. По МОНД сейчас публикуется достаточно много работ, но мне как астроному почему-то всё равно проще допустить, что в Космосе есть нечто, (пока) ненаблюдаемое, чем вносить коррективы в старого доброго Ньютона…