Какая масса Вселенной (или весы для галактик)

Несмотря на колоссальные расстояния, которые отделяют от нас даже ближайшие галактики, астрономы довольно уверенно научились определять массы этих систем, состоящих из миллиардов звезд. Массы галактик, как установлено сейчас, вполне определенным образом связаны с их светимостями. Поэтому, измеряя светимость галактики, можно оценить ее массу. Подобный же способ позволяет вычислять не только массы отдельных звездных систем, но и групп галактик.

Так астрономы и поступали до поры до времени, относясь к определению масс скоплений галактик, как к чисто техническому приему, пока не столкнулись с одним весьма любопытным обстоятельством.

Дело в том, что есть еще один способ оценки масс галактик.

Движения звезд, подобно обращению планет вокруг Солнца, подчиняются закону тяготения и законам Кеплера, но характер их совершенно иной. Галактика как система тел принципиально отличается от Солнечной системы, в которой 99 процентов массы сосредоточено в ее ядре, то есть Солнце. Но даже в Солнечной системе на характере движения отдельной планеты заметно влияние не только Солнца, но и всех других планет. В галактиках же, хотя и имеются центральные сгущения вещества, так называемые ядра, но в них сосредоточена лишь сравнительно небольшая часть общей массы этих звездных систем. Поэтому на движение каждой звезды в галактике сильно влияет не только притяжение центрального ядра, но и всей массы составляющих ее объектов: звезд и рассеянного вещества.

Это и позволяет, измеряя скорости обращения звезд на разных расстояниях от центра галактики, судить о величине ее массы. Точно так же можно «взвесить» и группу галактик. В этом случае определяют скорости уже не отдельных звезд, а целых галактик, входящих в состав этой группы.

Масса небесных объектов, определяемая подобным образом, получила наименование «вириальной». Казалось бы, если речь идет об измерении массы одних и тех же объектов, то различные способы должны приводить к примерно одинаковым результатам. Однако, как выяснилось, масса скопления галактик, определенная по его светимости, и масса того же самого скопления, определенная, исходя из динамических соображений, друг с другом не совпадают.

Ничего не было бы страшного, если бы эти массы различались на какие-нибудь 5—10 процентов. Тогда их несовпадение можно было бы оправдать мелкими ошибками, допущенными при определении физических характеристик изучаемых объектов, погрешностями вычислений и т. п. В действительности же вириальные массы скоплений превосходят значения масс, определенные по светимости, в два, десять, а порой и в сто раз!

Впервые этот загадочный парадокс обнаружил и сформулировал как серьезную научную проблему американский астроном Цвикки еще в 1933 году. С тех пор методы определения светимостей космических объектов, а также измерения их движении значительно усовершенствовались. Но парадокс несовпадения масс при этом не только не исчез, но, пожалуй, даже усугубился.

Это несоответствие масс равносильно тому, как если бы в рамках обычной математики оказалось, что расстояние от пункта А до пункта Б не равно сумме составляющих его отрезков.

Парадокс вырос в острую проблему. Ее уже не обойдешь, закрыв глаза. Хотя бы потому, что дальше двигаться можно, лишь преодолев этот барьер.

Заглянем в прошлое Вселенной

Попробуем еще раз осмыслить, что означает парадокс Цвики. Когда мы определяем массу скопления галактик по их светимости, то фактически речь идет о массе видимых объектов, видимого вещества. И если вириальная масса, вычисляемая на основе динамических соображений, оказывается большей, это означает, что в скоплении присутствуют какие-то скрытые, невидимые массы. Мы их не наблюдаем, но они, как всякие массы, обладают определенным тяготением и потому вносят свой вклад в общую динамику скопления, отражаясь на характере движения составляющих его галактик. Что же представляют собой эти невидимые, скрытые массы, какова может быть их физическая природа?

Проблема эта приобретает особую остроту, если учесть, что парадокс Цвикки относится не только к отдельным группам и скоплениям галактик, но и ко всей совокупности окружающих нас звездных систем, то есть ко всей метагалактике.

И дело не только в динамике. От существования скрытых масс зависит геометрия мира. Ведь, согласно общей теории относительности, пространство Вселенной искривлено и степень этого искривления определяется средней плотностью материи. И если эта средняя плотность больше определенной величины, то пространство Вселенной замкнуто и конечно. От величины скрытой массы зависит — а это небезразлично для нас, как говорят, по большому счету — еще и судьба нашей Вселенной. Будет ли она бесконечно расширяться или когда-нибудь расширение наконец сменится сжатием?

Так вот, оказывается, что если определять среднюю плотность, исходя из светимости космических объектов, то она получается в несколько раз меньше критической. Если же исходя из динамических соображений, то она либо равна критической, либо даже превосходит ее…

Кстати, к оценке средней плотности материи можно подойти и с третьей стороны. По теории расширяющейся горячей Вселенной, все химические элементы образовались в течение первых нескольких секунд расширения. В самую первую секунду была равновесная смесь протонов и нейтронов. Затем образовался дейтерий, который, активно взаимодействуя с протонами, перешел в гелий с атомным весом четыре. В дальнейшем общее количество наблюдаемого гелия во Вселенной существенно не менялось. Ядерные реакции, в которых он образуется, идут с тех пор только в недрах звезд. Заглянуть туда мы пока не можем, а о химическом составе вещества судим лишь по наблюдению звездных оболочек.

Согласно теории, гелия должно быть от 22 до 28 процентов от общего количества всех химических элементов. Наблюдения дают 25 процентов. Так что налицо хорошее совпадение теории и наблюдений. Следовательно, такой теории можно доверять. В частности, с ее помощью можно, исходя из наблюдаемого количества дейтерия в современной Вселенной, вычислить, сколько его было на ранних стадиях расширения. А содержание дейтерия непосредственно связано со средней плотностью материи. Таким образом, мы имеем в своем распоряжении еще один способ определения средней плотности, основанный на изучении химического состава Вселенной.

Между тем, как мы уже знаем, средняя плотность, выведенная на основе динамических соображений, приблизительно равна критической. Еще одно расхождение! Не слишком ли дерзко ведут себя эти скрытые массы?

Но динамическим соображениям все-таки нельзя не доверять. В противном случае пришлось бы подвергнуть существенному пересмотру основополагающие принципы современной физики. Неужто изменили они нам, верой-правдой служа которую сотню лет?! Пожалуй, прежде чем отправлять их «на слом», стоит все же проверить расчеты средней плотности вещества во Вселенной. Ведь в предположения, на основе которых она вычисляется, может вкрасться какая-то неточность, нечто не соответствующее реальному положению вещей в этом мире.

Соображения теории горячей расширяющейся Вселенной, согласно которым вычисляется содержание дейтерия на ранней стадии расширения, вполне заслуживают доверия — они хорошо подтверждаются наблюдениями. Остается проверить связь между содержанием дейтерия и средней плотностью материи. А она, оказывается, зависит от характера распределения материи в пространстве.

Вот тут-то мы и подходим к тому весьма серьезному моменту, когда парадокс несовпадения масс превращается в действенный инструмент познания.

Теория расширения строится на предположении, что на всех стадиях эволюции Вселенная была однородна, то есть вещество было распределено в пространстве приблизительно равномерно. Однако в действительности это всего лишь допущение, основанное на том, что современная Вселенная, как показывают наблюдения, в больших масштабах достаточно однородна. Но, вообще говоря, из однородности Вселенной в настоящую эпоху отнюдь не следует, что она была такой всегда. Более того, как показал космолог А. Л. Зельманов, неоднородность и даже анизотропия (то есть неодинаковость свойств по различным направлениям) Вселенной на ранних стадиях расширения в дальнейшем вполне могла нивелироваться.

Что же будет, если отказаться от предположения об однородности на начальном этапе? Из проведенных расчетов следует, что если вещество в ту эпоху было собрано в комки поперечником в несколько километров, то при том содержании дейтерия, которое дают наблюдения и теория горячей Вселенной, средняя плотность вещества была примерно равна критической.

Другими словами, в этом случае получается хорошее согласие с величиной средней плотности, определенной на основе динамических соображений.

Вот к какому чрезвычайно важному для понимания истории Вселенной выводу приводит нас анализ парадокса скрытых масс. Хотя, разумеется, для того, чтобы этот вывод был достаточно надежным, необходимо еще и еще раз подтвердить его независимыми методами.

Ни газ, ни пыль…

А потому вернемся снова к парадоксу Цвикки для скоплений галактик. Чем же можно еще объяснить несовпадение наблюдаемой и вириальной массы? Прежде всего, естественно усомниться в точности оценки массы на основе динамических соображений. Например, источником ошибок может служить неправильное определение принадлежности той или иной галактики к изучаемому скоплению. Галактика, которая, судя по фотографии, входит в состав интересующего нас скопления, в действительности может не иметь к нему никакого отношения, а лишь случайно проектироваться на его фон…

Подобное обстоятельство вносит известную неопределенность в вычисления вириальной массы. Однако степень этой неопределенности можно приблизительно оценить. И получается, что она может давать ошибку в величине массы в 2—3 раза. Между тем, как уже было сказано, расхождение между вириальной и наблюдаемой массами достигает ста раз. Опять аргумент в пользу невидимых масс, расположенных между галактиками.

Интересную идею развивает астроном, научный сотрудник обсерватории в Тарту Я. Эйнасто. Согласно его предположению, то, что мы видим, исследуя различные галактики, в действительности лишь незначительные части звездных систем. За их пределами находится еще очень большое количество вещества. На расстояниях, до 10 раз превосходящих видимые размеры галактик, плотность вещества в межгалактическом пространстве еще заметно отлична от нуля. Как считает Эйнасто, видимые части галактик — лишь центральные области этих звездных систем, окруженные своеобразными коронами, общая масса которых значительно превосходит массу наблюдаемой области.

Если это предположение подтвердится, то для небольших групп галактик парадокс Цвикки как будто снимается. Но для населенных скоплений звездных систем расхождение масс столь огромно, что он и в этом случае остается в силе.

Но если скрытые массы действительно существуют, то в каком же состоянии могут они находиться? Естественно предположить, что это либо звезды, либо газ, либо пыль.

Астрофизик И. Д. Новиков в одной из своих работ показал, что ни пыль, ни газ для этой роли не подходят. Столь значительное количество пыли можно было бы легко обнаружить. Что же касается, газа, то речь может идти о водороде, который в межзвездном пространстве находится в двух состояниях: это либо нейтральный водород Н, либо ионизованный водород Н2.

Нейтральный водород можно обнаружить по радиоизлучению. Такие измерения проводились, и они показывают, что масса нейтрального водорода в скоплениях галактик во много раз меньше, чем масса даже видимого вещества звезд.

Остается ионизованный (горячий) водород Н2. По радиоизлучению его присутствие определить нельзя. Но он должен излучать в рентгеновском диапазоне. Однако анализ рентгеновского космического излучения не показал наличия в скоплениях галактик достаточных количеств ионизованного водорода. Например, для скопления галактик в созвездии Волосы Вероники было установлено, что полная масса горячего водорода в нем составляет 2,5 • 10 в 14 степени солнечных масс. Это немало. Из подобного количества газа можно было бы изготовить тысячу таких галактик, как наша. И все же это еще в десять раз меньше того количества газа, которое могло бы ликвидировать парадокс Цвикки.

Еще одно предположение — уже более экзотическое. А может быть, в межгалактическом пространстве имеется большое число «черных дыр», образовавшихся в результате гравитационного коллапса массивных звезд? Как известно, эти объекты ненаблюдаемые, но в то же время обладают полями тяготения.

Однако это означало бы, что в прошлом галактики окружало огромное количество массивных звезд. И, следовательно, у галактик, расположенных от нас на достаточно больших расстояниях (а сейчас мы видим их отдаленное прошлое), такие объекты должны были бы наблюдаться. На самом деле их нет…

Остается предположить, что, скорее всего галактики окружены несветящимися маленькими карликовыми звездами с массами, в десятки и сотни раз меньшими, чем масса Солнца. Такие звезды могли, возможно, образоваться на перифериях галактик в результате сжатия диффузного вещества под действием ударных волн.

Но и эта возможность объяснения парадокса скрытых масс пока остается всего лишь предположением, так как реальное присутствие несветящихся карликовых звезд вокруг галактик ничем не доказано.

А может быть, их нет?

С какими бы сложными парадоксами и противоречиями не встречались ученые в своих исследованиях, они прежде всего стараются преодолеть их наличными средствами, используя существующие теоретические представления и не прибегая до поры до времени к каким-либо кардинально новым идеям. Хотя определить, когда эта пора уже наступила, довольно трудно…

Парадокс Цвикки существует уже около сорока лет. Срок по современным темпам развития науки о Вселенной немалый. А удовлетворительного решения проблемы нет и поныне. И хотя большинство современных астрофизиков не очень-то любит в связи с этим обсуждать какие-либо экзотические возможности, попробуем все же еще раз прикинуть, к чему они могут привести. Ведь как бы то ни было, парадокс существует и он должен иметь какое-то объяснение.

Одна из соблазнительных возможностей — подвергнуть сомнению справедливость общей теории относительности и закона тяготения. Если сила притяжения убывает не пропорционально квадрату расстояния, а несколько медленнее, то парадокс масс автоматически снимается. Но пока что для столь кардинального пересмотра основных фундаментальных положений современной физики нет никаких оснований.

Существует в принципе еще одна возможность, на которую указал академик В. А. Амбарцумян еще в 1953 году. Подобное предположение вытекает из развиваемой астрономами общей концепции о нестационарных явлениях во Вселенной и рождении космических объектов в результате распада сверхплотных тел. Что если скорости галактик внутри скоплений не хаотические, а направлены во все стороны от некоторого центра, то есть скопления неустойчивы и быстро расширяются?

Но это уже другая динамика, другие уравнения… Вириальная масса на базе этих уравнений практически равна массе, определяемой по светимости. А скрытых масс просто нет! И средняя плотность материи во Вселенной остается по-прежнему в несколько раз меньше критической, а сама Вселенная безудержно расширяется.

Не является ли парадокс Цвикки косвенным свидетельством в пользу именно этой точки зрения? Ведь если все иные варианты не оправдаются, останется только этот…

Автор: В. Комаров.