Скрытая масса

Существующие во Вселенной тела и их системы астрономы обнаруживают в основном по излучению. Это может быть видимый свет или другие виды электромагнитных волн. Однако не от всех космических объектов можно принять излучение.

Например, с Земли нельзя рассмотреть массивные, но очень маленькие компоненты двойных систем, а черные дыры в принципе не выпускают из своего гравитационного поля никакого излучения. Наличие подобных тел удается установить только по их гравитационному воздействию на соседей. Применение такого косвенного метода привело ученых к убеждению, что на самом деле во Вселенной содержится гораздо больше вещества, чем то, которое доступно прямым наблюдениям. Невидимое вещество, которое обнаруживает себя по взаимодействию с видимым посредством сил тяготения, назвали скрытой массой.

Гало темной материи, полученное при моделировании особого рода
Гало темной материи, полученное при моделировании особого рода

В 1970-х гг. методами рентгеновской астрономии был открыт горячий межгалактический газ, особенно заметный в скоплениях галактик. Его температура достигает десятков миллионов градусов. Предполагая, что газ находится в стационарном состоянии, по значению его температуры можно оценить характеристики гравитационного поля скопления, в котором он содержится, а следовательно, и полную массу вещества, являющегося источником этого поля. Уже первые результаты рентгеновских наблюдений горячего газа в скоплениях галактик подтвердили присутствие в них скрытой массы, не входящей в состав отдельных галактик.

Еще одно прямое указание на скрытую массу удалось получить при изучении движения нашей Галактики и ее ближайших соседей. Измерения их скоростей показали, что и между ними присутствует скрытая масса.

Гипотеза о существовании невидимого вещества неоднократно привлекалась для интерпретации астрономических наблюдений, и прежде всего для объяснения особенностей движения звезд и газовых облаков по орбитам в дисках галактик. Если бы основная масса галактики была сосредоточена в звездах, их орбитальные скорости уменьшались бы по мере удаления от центра. В действительности они не только не уменьшаются, но в ряде случаев даже возрастают. То же самое происходит и в Галактике. Чтобы объяснить это явление, нужно предположить, что далеко за пределами видимых границ галактики простирается несветящаяся, темная материя, создающая гравитационное поле. Обычно ее называют темным гало. С его учетом масса гигантских спиральных систем типа Млечного Пути оказывается равной примерно 1012 масс Солнца, тогда как вещества, заключенного в звездах и межзвездном газе, почти на порядок меньше.

Сегодня мы можем достаточно уверенно заключить, что темное вещество является одним из основных компонентов Вселенной. Оно образует протяженные гало галактик и заполняет межгалактическое пространство, концентрируясь к скоплениям галактик.

Однако наличие темной массы не может объяснить наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной. Потребовалось привлечь гипотезу о существовании еще более экзотичной материи — так называемой темной энергии, или энергии вакуума, которая, в отличие от темной массы, равномерно «размазана» по пространству и не концентрируется ни к галактикам, ни к их скоплениям.

Природа невидимого вещества

В конце XX столетия пришлось признать, что все изучавшиеся до сих пор астрономические объекты, доступные прямым наблюдениям, составляют лишь небольшую долю космической материи. Вопрос о природе темной материи до сих пор остается открытым. Вероятнее всего, скрытая масса создается не открытыми пока слабовзаимодействующими массивными частицами, существование которых следует из современной физической теории элементарных частиц. Поиски таких частиц усиленно ведутся на самых мощных ускорителях, но пока не увенчались успехом.

Черная дыра
Черная дыра в представлении художника

Частицы всепроникающей темной материи, заполняющей Галактику, пытаются уловить и в специализированных подземных лабораториях. Некоторая часть невидимой массы может состоять из обычных атомов и заключаться в слабосветящихся телах (например, маломассивных звездах и коричневых карликах), а также в гипотетических реликтовых черных дырах с массой от 1015 г до сотен масс Солнца (своего рода «строительном мусоре», оставшемся от эпохи образования галактик) или же в остатках первых звезд, возможно, существовавших еще до рождения галактик. И хотя этих темных тел вряд ли хватит для объяснения всей скрытой массы, их поиски активно проводятся.