Текст книги "Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса"
Автор книги: Йостейн Кристиансен
сообщить о нарушении
Текущая страница: 10 (всего у книги 15 страниц)
2.14. Проклятие карликовых галактик
Темная материя могла показаться вам волшебным ингредиентом, при добавлении которого теория и наблюдения идеально совпадут друг с другом. Но вот факт существования наблюдений, скорее опровергающих наличие большого количества темной материи во Вселенной, мы как-то упустили из виду. Больше всего чувства фанатов темной материи задевают карликовые галактики.
Помните, я упоминал карликовые галактики, когда говорил о телескопе «Ферми»? Это небольшие галактики, которые обычно обращаются вокруг более крупных, и мы знаем более 20 таких карликов, вращающихся вокруг Млечного Пути. 20 – это уже немало, но на самом деле их должно быть еще больше!
(На настоящий момент их более шестидесяти. Редактор.)
Астрофизики пришли к этому выводу благодаря компьютерному моделированию эволюции Вселенной. Если мы попытаемся смоделировать формирование галактик во Вселенной, в которой темной материи в пять раз больше обычной, то появится целая уйма карликовых галактик. Количество этих галактик в симуляции где-то в десять раз превосходит то, что мы наблюдаем в действительности. Компьютерное моделирование расходится с реальностью. Получается, весь сценарий с темной материей потерпел крах? Вовсе нет. Учитывая, что темная материя так хорошо справлялась с объяснением столь многих различных свойств Вселенной, то всего нескольких пропавших без вести карликовых галактик будет маловато для опровержения целой концепции.
Тем не менее проблему карликовых галактик не стоит сбрасывать со счетов, и многие исследовательские группы как раз изучают, почему мы видим так мало таких галактик. К счастью, на это может быть сразу несколько причин.
Одна из возможных причин проблемы – недостаточно совершенные компьютерные модели. Все-таки воссоздание процесса рождения галактик на компьютере – задачка не из легких. Необходимо учитывать абсолютно все: от гравитационных сил, действующих на больших расстояниях, до того, что происходит, когда массивные звезды умирают и взрываются. Как бы это странно ни звучало, но моделирование галактик намного сложнее в исполнении, чем, например, моделирование условий во Вселенной уже после появления реликтового излучения. Можно предположить, что по мере совершенствования технологий расхождение между моделью и реальностью уменьшится. Например, более важную роль начинают играть взрывающиеся звезды, то есть сверхновые. Ударная волна от взорвавшейся огромной звезды могла бы выдуть большую часть обычного вещества из карликовой галактики. Несталкивающая ся же темная материя не станет обращать внимания на какие-то ударные волны и прочую чепуху и может спокойно остаться в маленьких галактиках. И тогда в карликовых галактиках будет настолько мало обычного вещества, что их вообще будет трудно заметить.
В последние годы астрономы обнаружили несколько карликовых галактик вблизи Млечного Пути. Похоже, моделирование и практические наблюдения постепенно начинают все больше соответствовать друг другу. Может, проблема с пропавшими карликовыми галактиками не так уж и велика?
Другие исследователи используют карликовые галактики как отправную точку для новых гипотез о сущности темной материи. Например, одна исследовательская группа предположила, что темная материя может быть не полностью невидимой, а лишь почти невидимой. А еще – что темная крайне редко, но все же взаимодействует со светом. Когда они пытаются включить такие причудливые частицы темной материи в свои модели, получается, что карликовых галактик образуется меньше. Но чтобы такая модель была способна выдержать критику, она должна быть в состоянии дать ответы на все вопросы о темной материи. А для этого придется снова проводить множество расчетов и строить модели. К тому же нужно будет как-то объяснить, почему до этого частиц темной материи не обнаружил ни один эксперимент.
Охота на темную материю – это огромный пазл, и многим кусочкам еще только предстоит оказаться на своем месте. Карликовые галактики – один из таких кусочков. Подавляющее большинство астрономов, в том числе и я, практически уверены, что темная материя существует, несмотря на проблему карликовых галактик.
Тем не менее многие без особого энтузиазма относятся к перспективе поиска огромного количества невидимой материи для объяснения наблюдаемой нами Вселенной. Не являясь ярыми противниками концепции темной материи, они, однако же, считают разумным рассмотреть альтернативные варианты. Ведь для развития науки такие альтернативные идеи абсолютно необходимы. В этом и заключается суть науки: разные идеи сталкиваются друг с другом, пока практические наблюдения за реальностью в конце концов не определят победителя. Но какие могут быть альтернативы у темной материи?
2.15. А что, если темной материи не существует?
Пока я приводил аргументы только в пользу существования темной материи. Сначала я перечислил серию наблюдений, которые трудно было бы объяснить без темной материи: мы изучили гравитационное линзирование, скопление галактик Пуля, скорости галактик и их скоплений, кривые вращения спиральных галактик, а также неоднородность реликтового излучения. У многих наблюдений есть нечто общее: они жаждут, чтобы мы ввели во Вселенную дополнительные гравитационные силы. Например, нам нужна дополнительная гравитация для того, чтобы звезды не разлетелись в разные стороны из вращающихся галактик, а сами галактики – из скоплений галактик. Из этой ситуации мы выходили, вводя темную материю, которая решала наши проблемы, добавляя недостающие гравитационные силы. Но существует и альтернативный подход. Давайте представим, что никакой темной материи не существует. Правда, даже в этом случае нельзя сбрасывать со счетов наблюдения, указывающие на недостаток гравитационных сил. Но вместо того, чтобы вводить невидимую таинственную субстанцию, которая создает эти гравитационные силы, мы можем предположить, что несостоятельна сама теория. Но разве наши законы гравитации уже не прошли всевозможные проверки? Имеет ли смысл вообще о них рассуждать? Понятное дело, убедиться в точности законов гравитации можно, бросая камни с высоких башен, проводя эксперименты с маятниками или изучая движение планет и спутников в Солнечной системе. В результате подобных экспериментов создается впечатление, будто этот вопрос мы изучили досконально. Но ведь и гравитационные аномалии возникают не в Солнечной системе, а в отдаленных галактиках, скоплениях галактик или во всей Вселенной. А ведь галактики в разы крупнее нашей Солнечной системы – речь идет о расстояниях, более чем в миллиард раз превышающих расстояние между Землей и Солнцем. Наверняка мы знаем, как работает гравитация только в Солнечной системе. Откуда наша уверенность, что в далеких галактиках все так же, как у нас?
Итак, выбор не особо велик: либо мы вводим новые частицы, либо пересматриваем сам закон гравитации. Сторонники есть у обоих подходов, хотя желающие изменить закон гравитации все же остаются в меньшинстве. В истории астрономии подобные конфликты уже случались. Давайте подробнее рассмотрим крайне показательный пример с планетами нашей Солнечной системы.
К началу XIX века астрономы узнали о некоторых аномалиях в движении планеты Уран. На тот момент это была наименее изученная планета Солнечной системы. Особенности движения Урана заключаются в том, что реальная орбита планеты не совпадает с вычислениями, опирающимися на закон всемирного тяготения. Можно было начать искать новую планету за пределами Урана, которая бы слегка притягивала его и влияла на траекторию. Или же можно было пересмотреть закон всемирного тяготения. Ведь совсем не факт, что закон, объясняющий движение ближайших к Солнцу планет, будет действовать и на более внушительных расстояниях – там, где находятся Уран и более дальние объекты.
Если всему виной действительно новая планета, значит, ее можно обнаружить. Примерно в 1845 году два астронома независимо друг от друга провели расчеты, показавшие, где могла бы находиться новая планета, влияющая на орбиту Урана. Этими двумя астрономами были француз Урбен Ле-верье и британец Джон Адамс. Последовавшие горячие споры о том, кому именно удалось первому предвычислить существование новой планеты, отчасти объясняются национальной принадлежностью ученых. Тем не менее больший вклад в открытие внесли расчеты француза. Неверье отправил в берлинскую обсерваторию астроному Иоганну Готтфриду Галле письмо с подробными указаниями, где и как искать новую планету. Галле получил письмо 23 сентября 1846 года. В тот же вечер была открыта новая планета в одном градусе от предсказанного Неверье положения. После долгих раздумий планету назвали Нептуном.
Истории планеты Нептун и темной материи очень похожи. Подоплекой были аномалии в движении уже известного небесного тела, и эти движения стали основанием для предсказания чего-то совершенно нового. Пересматривать закон всемирного тяготения не пришлось. Может, и с темной материей все сложится так же? Астрономы заметили аномалии в поведении видимого вещества. Это привело к постулированию нового вида частицы, после чего астрономы рассказали физикам, как такие частицы должны себя вести. Единственная разница, понятное дело, в том, что темную материю еще не открыли. Но и история Левсрье закончилась не на этом.
Оказалось, что не только Уран обращался по несколько странной орбите. То же самое замечали и за ближайшей к Солнцу внутренней планетой – Меркурием. Как и любая другая планета, Меркурий движется вокруг звезды по орбите в виде эллипса. Ближайшая к Солнцу точка орбиты называется перигелием. Особенность Меркурия состоит в том, что его перигелий каждый год немного смещается – совсем незначительно, всего где– то полтора градуса за столетие.
(В инерциальной системе отсчета это смещение составляет 574 в столетие, а не объясненное Ньютоновой теорией смещение составляет всего 43 в столетие.)
Наблюдая за перигелием Меркурия, Леверье понял, что этот эффект не объяснить известными фактами о Солнечной системе и гравитации. Окрыленный успехом с Нептуном, Леверье в 1859 году постулировал существование еще одной новой планеты – Вулкана, якобы находящейся внутри орбиты Меркурия. А то, что Вулкан никто никогда не видел, вполне объяснимо: планета находится настолько близко к Солнцу, что с наступлением темноты ее уже невозможно разглядеть. Больше всего шансов обнаружить Вулкан существует, когда он проходит на фоне Солнца. В этом случае можно заметить темное пятно, пересекающее солнечный диск.
И ведь так все и произошло. Вскоре Леверье получил письмо от французского астронома-любителя, где сообщалось, что тот наблюдал движение характерного темного объекта вдоль солнечного диска. Леверье посетил астронома, убедился во всем лично и в январе 1860 года на заседании Французской академии наук объявил об открытии Вулкана. Однако убедить всех присутствующих ему не удалось. Один бразильский астроном даже утверждал, что в период открытия новой планеты как раз изучал Солнце, но никаких черных пятен на звезде не наблюдал.
В последующие годы Леверье получил немало сообщений от тех, кто утверждал, будто видел Вулкан. Леверье использовал эти сообщения для вычисления следующего пересечения планетой диска Солнца, но его вычисления раз за разом оказывались несостоятельными. Говорят, что до самой своей смерти в 1877 году ученый не сомневался в существовании Вулкана.
Через какое-то время интерес к Вулкану в астрономической среде угас. Но что ни делается – все к лучшему, ведь сегодня мы точно знаем, что Вулкана не существует. Решение этой головоломки нашел Альберт Эйнштейн, опубликовавший в 1915 году окончательный вариант своей «Общей теории относительности». То была новая теория гравитации. Когда речь идет о Солнечной системе, вычисления, основанные на общей теории относительности и старой доброй теории всеобщего тяготения, не сильно разнятся. Но некоторые отклонения все же прослеживаются. К тому же теория Эйнштейна прекрасно справилась с объяснением отклонений в движении Меркурия, и для этого не понадобилось никаких новых планет.
В случае с Вулканом потребовалась не новая составляющая, а новая теория гравитации. Так что если открытие Нептуна – удачный пример внедрения новых элементов во Вселенную, то с Вулканом ситуация обратная. До этого момента мы допускали только то, что темная материя бывает – это своеобразный Нептун. А вот может ли она оказаться Вулканом?
Из истории о Вулкане можно вынести и еще один урок. Большинство из заметивших Вулкан, вероятно, сами в это искренне верили. То были сознательные астрономы, убежденные в том, что действительно видят реальную планету. Ведь желаемое разглядеть легче. К счастью, современные астрономы и физики проводят более точные измерения, а их умозаключения более надежны, чем во времена популярности Вулкана. Но человеческая психология неизменна, и неважно, пытаемся ли мы разглядеть в телескоп Вулкан или же выслеживаем частицу темной материи в сверхчувствительном детекторе. Когда возможности наших экспериментов и логики и так доведены до предела, к тому, что видишь, лучше относиться с долей недоверия. Особенно когда у нас есть четкое представление о том, что именно мы хотим увидеть.
Альтернатива Милгрома
Самая известная попытка модифицировать закон всемирного тяготения вместо признания темной материи была предпринята в 1983 году. Ее автором стал израильский физик с жутковато звучащим именем – Мордехай Милгром. Это было еще до появления достоверной информации о реликтовом излучении и скоплении галактик Пуля. Милгром ставил перед собой задачу объяснить движение спиральных галактик, не прибегая к гипотезе о темной материи.
Согласно ньютоновскому закону всемирного тяготения, с увеличением расстояния до объекта действие его гравитационных сил будет ослабевать. А если быть точнее, гравитация ослабевает вчетверо каждый раз при удвоении расстояния (или – для тех, у кого есть склонность к математике, – сила тяжести обратно пропорциональна квадрату расстояния). Милгром разработал теорию, согласно которой гравитация следует закону Ньютона в областях, где притяжение относительно сильное, например, внутри нашей Солнечной системы. Но если мы посмотрим на звезды на окраинах галактик, притяжение будет слабее. При каждом увеличении расстояния гравитация там будет уменьшаться вдвое, а не вчетверо, как у Ньютона (сила тяжести обратно пропорциональна расстоянию, а не квадрату расстояния).
(Теорию MOND можно интерпретировать двумя способами: либо меняются законы гравитации, либо второй закон Ньютона для инерции. Я придерживаюсь первой интерпретации, а Милгром же основывал свои выводы исключительно на второй. То, что я все же смотрю на MOND как на изменение силы тяжести, делается для простоты объяснений. Для нас результат все равно будет таким же.)
Теория Милгрома получила название Модифицированной ньютоновской динамики и сегодня наиболее известна под аббревиатурой MOND (Modified Newtonian dynamics).
В MOND самые удаленные звезды в галактике обладают более сильной гравитацией, чем в теории Ньютона. Поэтому они и двигаются быстрее, но при этом не улетают за пределы своей галактики. С помощью MOND Милгрому удалось объяснить кривые вращения спиральных галактик ничуть не хуже, чем приверженцам темной материи. И, наверно, ничего удивительного в этом нет, ведь MOND и была создана именно для объяснения аномального вращения спиральных галактик. Позже оказалось, что теория отлично справляется и с объяснением некоторых других аспектов, связанных с движением объектов в галактиках. Ведь галактики бывают всевозможных размеров и форм, и во многих случаях MOND ничем не уступает гипотезе темной материи.
Тем не менее у MOND не так много последователей среди астрофизиков, потому что в теории не все так гладко. Первая сложность заключается в том, что MOND нельзя считать полноценной теорией гравитации. Как я упоминал ранее, закон всемирного тяготения Ньютона был во многом заменен общей теорией относительности Эйнштейна в 1915 году. Мы подробнее рассмотрим теорию относительности, когда начнем обсуждать темную энергию, но уже сейчас скажу, что с помощью этой теории можно объяснить не только движение перигелия Меркурия. Основной задачей ученого было создать теорию без противоречий. А это среди прочего затрагивало несовместимость теории с уравнениями Максвелла, согласно которым скорость света постоянна независимо от того, кто ее измеряет. В теорию Ньютона это не укладывается. Эйнштейну удалось согласовать законы Максвелла с законами гравитации, создав таким образом теорию, которая была гораздо более последовательной, чем у Ньютона. Тем не менее для большинства явлений вокруг нас теории Эйнштейна и Ньютона дадут примерно одинаковые результаты. И когда мы посмотрим, например, на кривые вращения галактик, то получим практически аналогичные результаты независимо оттого, используем мы теорию Эйнштейна или Ньютона.
Если сравнивать теории Ньютона и Эйнштейна, то производить расчеты гораздо проще по первой. Поэтому нет ничего удивительного в том, что Милгром при работе над теорией модифицированной динамики отталкивался от закона всемирного тяготения Ньютона. Но и у этой теории все та же проблема: ей никак не стать целостной гравитационной теорией. MOND – это первая попытка объяснить вращение галактик, не вводя понятия «темная материя», однако эта теория недостаточно фундаментальна. Позднее появились более полные и последовательные теории, которые примерно так же объясняют аномалии движения в галактиках. Но подобно тому, как MOND представляет собой более сложную версию законов Ньютона, эти теории – усложненные версии теории относительности Эйнштейна. Это создает две проблемы. Во-первых, сложность вычислений, основанных на теории относительности, затрудняет работу с другими явлениями Вселенной. Касается это, например, пятен на реликтовом излучении. Во-вторых, красотой такие теории уж точно не отличаются. Наиболее привлекательными для физики и астрономии всегда были наиболее простые и красивые теории. Физики склонны недолюбливать дополнительные усложняющие факторы в уравнениях. В этом смысле MOND и его более последовательные собратья уступают теориям Ньютона и Эйнштейна. А еще есть субъективная оценка: что будет выглядеть «уродливее» – искажение красивых теорий или введение во Вселенную новой невидимой материи?
Но у MOND есть недочеты не только на теоретическом и «эстетическом» уровнях. Да, теория превосходно работает в галактиках, но вот на уровне скоплений галактик все уже не так безоблачно. Чтобы объяснить скорости галактик в скоплениях, даже MOND не обойтись без темной материи. Безусловно, реально обойтись и меньшим количеством темной материи в скоплениях галактик, если использовать MOND в качестве теории гравитации. Да и темной материи необязательно состоять из нового типа частиц, возможно, она – обычное вещество, которое мы просто не видим. И тем не менее если MOND без темной материи тоже не справляется, то звание идеальной альтернативы она теряет.
Еще один камень преткновения – реликтовое излучение. Для объяснения этого феномена нам нужна достаточно последовательная теория наподобие эйнштейновской. A MOND к таким точно не относится, хотя она и позволяет сделать некоторые грубые расчеты, касающиеся пятен на реликтовом излучении. Пока теория и наблюдаемая карта пятен особо не совпадают, если только не добавить темную материю. Как по мне, так это ахиллесова пята Модифицированной ньютоновской динамики. Реликтовое излучение сформировалось, когда Вселенная была еще достаточно упорядоченным местом – без взрывающихся звезд или других осложняющих факторов, а потому все физические явления того времени должны быть вполне логичными. Где-где, а в соответствии реальности и гипотезы теория Милгрома проигрывает темной материи.
Но кто знает? MOND – лишь один из возможных вариантов пересмотра законов гравитации. Несовпадение MOND с наблюдениями совсем не означает, что создание адекватных альтернативных теорий гравитации в принципе невозможно.
Я побывал на нескольких лекциях, посвященных MOND и другим альтернативным теориям гравитации, которые обходятся без темной материи. Такие лекции никогда не проходят без моря вопросов. «А как тогда быть с Пулей? Ее ваша альтернативная теория гравитации тоже объясняет?» В этом скоплении галактик ясно «видно», что темная материя прошла прямо сквозь столкновение, в то время как обычная материя замедлилась. Ответы, как правило, звучат не особо убедительно. Скопление галактик Пуля – головная боль для тех, кто хочет заменить темную материю альтернативной теорией гравитации.
