Для того чтобы искать, прежде нужно определить, где и что. С тем, «что» именно искать, более или менее понятно – эта некая материя, которая проявляет себя только своей гравитацией. А вот «где» ее искать и какие пространственные размеры она занимает – далеко не очевидно. Как она распределена по Вселенной? Расположена ли она в галактиках или равномерно разбросана по всему пространству? С одной стороны, долю скрытой массы в галактике можно определить по поведению звезд. С другой – ситуация несколько осложняется тем, что именно скрытая масса диктует видимой материи «правила игры», а не наоборот. Это и понятно – ее намного больше, а кто больше, тот, как обычно, и прав…
Скрытая масса способна концентрироваться там, где видимая материя отсутствует. Удивительно, но и эту скрытую часть удалось определить. О том, как это было сделано, чуть позже.
Интересно сравнить полную скрытую массу во Вселенной и массу ее видимой части, в основном звезд. Диаметр видимой части Вселенной составляет примерно 3•1026 м (10 000 мегапарсек, или 30 млрд. световых лет). Большая часть видимой материи уже собралась в галактики и, чтобы определить массу Вселенной, надо «всего лишь» измерить массы всех галактик, которых приблизительно 1011 штук и в каждой сверкает по нескольку миллиардов звезд. В результате получаем примерно 1052 кг – такова масса всех звезд в видимой части Вселенной. Напомним, что наше Солнце весит всего
2•1030 кг.
Поскольку темной материи в 10 раз больше, чем видимой, то недоучтенными до последнего времени были около 1053 кг…
Как найти невидимок
Тайная связь.Убедиться в ее существовании может каждый. Для этого нужно попросить знакомого водителя проехать мимо вас как можно быстрее, при этом непрерывно гудя. Во время наибольшего сближения вы почувствуете резкую смену тона гудка – с высокого на низкий. Любая электричка, пролетающая мимо платформы, даст тот же эффект. Вывод же будет таков: частота воспринимаемых волн (в данном случае звуковых) зависит не только от внутренних свойств источника этих волн, но и от его скорости.
То же самое происходит со светом, который представляет собой электромагнитную волну. Если источник приближается к нам, то мы воспринимаем свет «более голубым», чем если бы источник покоился. Если же он удаляется – то «более красным». Чем больше скорость– тем больше эффект доплеровского сдвига. Исследуя спектры звезд, ученые определяют их скорости и не только судят о движении внутри галактики, но и анализируют перемещения галактик внутри скоплений. Например, если измерения показывают, что свет от одного края какой-либо галактики краснее, а от другого – голубее, то единственное разумное объяснение этому кроется во вращении галактики. При внимательном изучении вращения галактик была обнаружена одна странность: скорости движения звезд оказались слишком большими! При таких скоростях они давно должны были бы покинуть галактику, поскольку суммарная гравитационная сила всех звезд, как показывали расчеты, была бы не способна их удержать. По этой причине было выдвинуто предположение о существовании некоей скрытой массы, которая своим гравитационным полем помогала удерживать звезды от разлета. Причем зависимость скорости от расстояния до центра галактики, как правило, такова, что наличием одной массивной черной дыры в центре галактики ее объяснить нельзя.
Королевство кривых зеркал.Скрытая масса образует свои собственные темные облака-галактики, которые ничего другого не содержат. Как же можно доказать их существование?
В обычных галактиках ученым помогают звезды, своим поведением выдающие присутствие скрытой массы. Но что же делать, если звезды отсутствуют в интересующей исследователей области пространства? Тогда на помощь им приходит эффект микролинзирования (см. «Вокруг света» № 9, 2002 г.). Если скрытая масса создает гравитационное поле, то оно должно влиять на движение всех объектов, обладающих энергией, поэтому гравитационное поле скрытой массы изменяет траекторию движения света от далеких источников. Значит, галактики должны выглядеть несколько искаженными, как лицо человека в слегка кривом зеркале. Другим способом обнаружить компактные и невидимые объекты можно по хорошо изученному эффекту увеличения яркости звезд, обусловленному гравитационным линзированием.
Если некое несветящееся тело пересекает прямую линию между какой-либо звездой и Землей, то яркость звезды увеличивается. Конечно, все небесные тела движутся относительно друг друга, поэтому увеличение яркости – эффект кратковременный. Но уж если оно обнаружено, то совершенно очевидно, что это «дело рук» какого-то тяжелого несветящегося объекта. Методы гравитационного линзирования настолько усовершенствовались, что позволяют определять также и массу темного объекта. Уже имеются предварительные данные от нескольких научных групп о существовании объектов тяжелее Юпитера, но легче Солнца.
