Яка маса Всесвіту (або ваги для галактик)

Незважаючи на колосальні відстані, що відділяють від нас навіть найближчі галактики, астрономи досить впевнено навчилися визначати маси цих систем, що складаються з мільярдів зірок. Маси галактик, як встановлено наразі, цілком певним чином пов’язані з їх світностями. Тому, вимірюючи світність галактики, можна оцінити її масу. Подібний же спосіб дозволяє обчислювати не тільки маси окремих зоряних систем, але і груп галактик.

Так астрономи і чинили до пори до часу, ставлячись до визначення мас скупчень галактик, як до суто технічного прийому, поки не зіткнулися з одою вельми цікавою обставиною.

Справа в тому, що є ще один спосіб оцінки мас галактик.

Рухи зірок, подібно обігу планет навколо Сонця, підкоряються закону тяжіння і законам Кеплера, але характер їх зовсім інший. Галактика як система тіл принципово відрізняється від Сонячної системи, в якій 99 відсотків маси зосереджено в її ядрі, тобто Сонці. Але навіть в Сонячній системі на характер руху окремої планети помітний вплив не лише Сонця, але і всіх інших планет. В галактиках ж, хоча і є центральне згущення речовини, так звані ядра, але в них зосереджена лише порівняно невелика частина загальної маси цих зоряних систем. Тому на рух кожної зірки в галактиці сильно впливає не тільки тяжіння центрального ядра, але і всієї маси складових її об’єктів: зірок і розсіяної речовини.

Це і дозволяє, вимірюючи швидкості обігу зірок на різних відстанях від центру галактики, судити про величину її маси. Точно так само можна «зважити» і групу галактик. В цьому випадку визначають швидкості вже не окремих зірок, а цілих галактик, що входять у склад цієї групи.

Маса небесних об’єктів, що визначається подібним чином, отримала найменування «віріальної». Здавалося б, якщо мова йде про вимірювання маси одних і тих же об’єктів, то різні способи повинні призводити до приблизно однакових результатів. Однак, як з’ясувалося, маса скупчення галактик, визначена по їх світності, і маса того ж самого скупчення, визначена, виходячи з динамічних міркувань, одна з одною не збігаються.

Нічого не було б страшного, якби ці маси розрізнялися на якісь 5-10 відсотків. Тоді їх розбіжність можна було б виправдати дрібними помилками, допущеними при визначенні фізичних характеристик досліджуваних об’єктів, похибками обчислень і т. п. В дійсності ж віріальні маси скупчень перевершують значення мас, визначені за світністю, у два, десять, а часом і в сто разів!

Вперше цей загадковий парадокс виявив і сформулював як серйозну наукову проблему американський астроном Цвіккі ще в 1933 році. З тих пір методи визначення світимостей космічних об’єктів, а також вимірювання їх руху значно вдосконалилися. Але парадокс розбіжності мас при цьому не тільки не зник, але, мабуть, навіть посилився.

Ця невідповідність мас рівнозначна тому, як якщо б у рамках звичайної математики виявилося, що відстань від пункту А до пункту Б не дорівнює сумі складових його відрізків.

Парадокс виріс в гостру проблему. Її вже не обійдеш, закривши очі. Хоча б тому, що далі рухатися можна, лише подолавши цей бар’єр.

Заглянемо в минуле Всесвіту

Спробуємо ще раз осмислити, що означає парадокс Цвіккі. Коли ми визначаємо масу скупчення галактик по їх світності, то фактично мова йде про масу видимих об’єктів, видимої речовини. І якщо віріальна маса, яка обчислюється на основі динамічних міркувань, виявляється більшою, це означає, що в скупченні присутні якісь приховані, невидимі маси. Ми їх не спостерігаємо, але вони, як всякі маси, володіють певним тяжінням і тому вносять свій внесок у загальну динаміку скупчення, позначаючись на характері руху складових його галактик. Що ж являють собою ці невидимі, приховані маси, яка може бути їх фізична природа?

Ця проблема набуває особливої гостроти, якщо врахувати, що парадокс Цвіккі відноситься не тільки до окремих груп і скупчень галактик, але і до всієї сукупності оточуючих нас зоряних систем, тобто до всієї метагалактики.

І справа не тільки в динаміці. Від існування прихованих мас залежить геометрія світу. Адже, відповідно до загальної теорії відносності, простір Всесвіту викривлений і ступінь цього викривлення визначається середньою щільністю матерії. І якщо ця середня щільність більше певної величини, то простір Всесвіту замкнений і кінечний. Від величини прихованої маси залежить — а це небайдуже для нас, як кажуть, за великим рахунком — ще й доля Всесвіту. Буде він нескінченно розширюватися або коли-небудь розширення нарешті зміниться стисненням?

Так ось, виявляється, що якщо визначати середню щільність, виходячи з світності космічних об’єктів, то вона виходить у кілька разів менше критичної. Якщо ж виходячи з динамічних міркувань, то вона або дорівнює критичній, або навіть перевершує її…

До речі, до оцінки середньої щільності матерії можна підійти і з третьої сторони. За теорією гарячого Всесвіту, що розширюється, всі хімічні елементи утворилися протягом перших декількох секунд розширення. В саму першу секунду була рівноважна суміш протонів і нейтронів. Потім утворився дейтерій, який, активно взаємодіючи з протонами, перейшов в гелій з атомною вагою чотири. Надалі загальна кількість спостережуваного гелію у Всесвіті істотно не змінювалася. Ядерні реакції, в яких він утворюється, йдуть з тих пір тільки в надрах зірок. Заглянути туди ми поки не можемо, а про хімічний склад речовини судимо лише за спостереженням зоряних оболонок.

Згідно теорії, гелію має бути від 22 до 28 відсотків від загальної кількості всіх хімічних елементів. Спостереження дають 25 відсотків. Так що в наявності гарний збіг теорії та спостережень. Отже, такій теорії можна довіряти. Зокрема, з її допомогою можна, виходячи з спостережуваної кількості дейтерію в сучасному Всесвіту, обчислити, скільки його було на ранніх стадіях розширення. А вміст дейтерію безпосередньо пов’язаний з середньою щільністю матерії. Таким чином, ми маємо в своєму розпорядженні ще один спосіб визначення середньої щільності, заснований на вивченні хімічного складу Всесвіту.

Між тим, як ми вже знаємо, середня щільність, виведена на основі динамічних міркувань, приблизно дорівнює критичній. Ще одна розбіжність! Чи не занадто зухвало поводяться ці приховані маси?

Але динамічним міркуванням все-таки не можна не довіряти. В іншому випадку довелося б піддати суттєвому перегляду основоположні принципи сучасної фізики. Невже зрадили вони нам, вірою-правдою служачи яку сотню років?! Мабуть, перш ніж відправляти їх «на злам», варто все ж таки перевірити розрахунки середньої густини речовини у Всесвіті. Адже у припущення, на основі яких вона обчислюється, може вкрастися якась неточність, щось, що не відповідає реальному стану речей у цьому світі.

Міркування теорії Всесвіту, що розширюється, згідно з яким обчислюється вміст дейтерію на ранній стадії розширення, цілком заслуговують довіри — вони добре підтверджуються спостереженнями. Залишається перевірити зв’язок між вмістом дейтерію і середньою щільністю матерії. А вона, виявляється, залежить від характеру розподілу матерії у просторі.

Ось тут ми і підходимо до того вельми серйозного моменту, коли парадокс розбіжності мас перетворюється на дієвий інструмент пізнання.

Теорія розширення будується на припущенні, що на всіх стадіях еволюції Всесвіт був однорідний, тобто речовина була розподілена у просторі приблизно рівномірно. Однак насправді це всього лише припущення, засноване на тому, що сучасний Всесвіт, як показують спостереження, у великих масштабах досить однорідний. Але, взагалі кажучи, з однорідності Всесвіту в справжню епоху аж ніяк не випливає, що вона була такою завжди. Більше того, як показав космолог А. Л. Зельманов, неоднорідність і навіть анізотропія (тобто неоднаковість властивостей за різними напрямками) Всесвіту на ранніх стадіях розширення надалі цілком могла нівелюватися.

Що ж буде, якщо відмовитися від припущення про однорідність на початковому етапі? З проведених розрахунків випливає, що якщо речовина в ту епоху була зібрана в грудки поперечником у кілька кілометрів, то при тому змісті дейтерію, який дають спостереження і теорія гарячого Всесвіту, середня густина речовини була приблизно рівною критичній.

Іншими словами, в цьому випадку виходить хороша згода з величиною середньої щільності, визначеної на основі динамічних міркувань.

Ось до якого надзвичайно важливого для розуміння історії Всесвіту висновку приводить нас аналіз парадоксу прихованих мас. Хоча, зрозуміло, для того, щоб цей висновок був досить надійним, необхідно ще і ще раз підтвердити його незалежними методами.

Ні газ, ні пил…

А тому повернімося знову до парадоксу Цвіккі для скупчень галактик. Чим же можна пояснити розбіжність спостережної та віріальної маси? Насамперед, природно засумніватися в точності оцінки маси на основі динамічних міркувань. Наприклад, джерелом помилок може служити неправильне визначення належності до тієї чи іншої галактики до досліджуваного скупчення. Галактика, яка, судячи з фотографії, входить до складу цікавого для нас скупчення, в дійсності може не мати до нього жодного відношення, а лише випадково проектуватися на його фон…

Подібна обставина вносить відому невизначеність обчислення віріальної маси. Проте ступінь цієї невизначеності можна приблизно оцінити. І виходить, що вона може давати помилку у величині маси в 2-3 рази. Між тим, як вже було сказано, розбіжність між віріальною і спостережною масами досягає ста разів. Знову аргумент на користь невидимих мас, розташованих між галактиками.

Цікаву ідею розвиває астроном, науковий співробітник обсерваторії в Тарту Я. Эйнасто. Згідно з його припущенням, те, що ми бачимо, досліджуючи різні галактики, в дійсності лише незначні частини зоряних систем. За їх межами знаходиться ще дуже велика кількість речовини. На відстанях до 10 разів переважаючих видимі розміри галактик, щільність речовини в міжгалактичному просторі ще помітно відрізняється від нуля. Як вважає Эйнасто, видимі частини галактик — лише центральні області цих зоряних систем, оточені своєрідними коронами, загальна маса яких значно перевершує масу спостережуваної області.

Якщо це припущення підтвердиться, то для невеликих груп галактик парадокс Цвіккі ніби знімається. Але для населених скупчень зоряних систем розбіжність мас настільки величезна, що він і в цьому випадку залишається в силі.

Але якщо приховані маси дійсно існують, то в якому ж стані вони можуть перебувати? Природно припустити, що це або зірки, або газ, або пил.

Астрофізик І. Д. Новіков в одній зі своїх робіт показав, що ні пил, ні газ для цієї ролі не підходять. Настільки значну кількість пилу можна було б легко виявити. Що ж стосується газу, то мова може йти про водень, який в міжзоряному просторі знаходиться в двох станах: це або нейтральний водень Н, або іонізований водень Н2.

Нейтральний водень можна виявити за радіовипромінюваннями. Такі вимірювання проводилися, і вони показують, що маса нейтрального водню в скупченнях галактик у багато разів менше, ніж маса навіть видимої речовини зірок.

Залишається іонізований (гарячий) водень Н2. За радіовипромінюванням його присутність визначити не можна. Але він може випромінюватися в рентгенівському діапазоні. Однак аналіз рентгенівського космічного випромінювання не показав наявності в скупченнях галактик достатніх кількостей іонізованого водню. Наприклад, для скупчення галактик у сузір’ї Волосся Вероніки було встановлено, що повна маса гарячого водню в ньому становить 2,5 • 10 в 14 ступені сонячних мас. Це чимало. З подібного кількості газу можна було б виготовити тисячу таких галактик, як наша. І все ж це ще в десять разів менше тієї кількості газу, яка могла б ліквідувати парадокс Цвіккі.

Ще одне припущення — вже більш екзотичне. А може бути, в міжгалактичному просторі є велика кількість «чорних дірок», що утворилися в результаті гравітаційного колапсу масивних зірок? Як відомо, ці об’єкти неспостережні, але в той же час володіють полями тяжіння.

Однак це означало б, що в минулому галактики оточувала величезна кількість масивних зірок. І, отже, у галактик, розташованих від нас на досить великих відстанях (а зараз ми бачимо їх віддалене минуле), такі об’єкти повинні були б спостерігатися. Насправді їх немає…

Залишається припустити, що, швидше за все галактики оточені не світними маленькими карликовими зірками з масами, в десятки і сотні разів меншими, ніж маса Сонця. Такі зірки могли, можливо, утворитися на периферіях галактик в результаті стиснення дифузної речовини під дією ударних хвиль.

Але і ця можливість пояснення парадоксу прихованих мас поки залишається лише припущенням, так як реальна присутність несвітних карликових зірок навколо галактик нічим не доведена.

А може бути, їх немає?

З якими б складними парадоксами і протиріччями не зустрічалися вчені у своїх дослідженнях, вони насамперед намагаються подолати їх наявними засобами, використовуючи існуючі теоретичні уявлення і не вдаючись до пори до якихось кардинально нових ідей. Хоча визначити, коли ця пора вже настала, досить важко…

Парадокс Цвіккі існує вже близько сорока років. Термін за сучасними темпами розвитку науки про Всесвіт чималий. А задовільного рішення проблеми немає і понині. І хоча більшість сучасних астрофізиків не дуже-то любить у зв’язку з цим обговорювати якісь екзотичні можливості, спробуємо все ж таки ще раз прикинути, до чого вони можуть призвести. Адже як би там не було, парадокс існує і він повинен мати якесь пояснення.

Одна з спокусливих можливостей піддати сумніву справедливість загальної теорії відносності та закону тяжіння. Якщо сила тяжіння не убуває пропорційно квадрату відстані, а трохи повільніше, то парадокс мас автоматично знімається. Але поки що для такого кардинального перегляду основних фундаментальних положень сучасної фізики немає ніяких підстав.

Існує в принципі ще одна можливість, на яку вказав академік В. А. Амбарцумян ще в 1953 році. Подібне припущення випливає з розвиненої астрономами загальної концепції про нестаціонарні явища у Всесвіті і народження космічних об’єктів в результаті розпаду надгустих тіл. Що якщо швидкості галактик всередині скупчень не хаотичні, а спрямовані в усі сторони від деякого центру, тобто скупчення нестійкі і швидко розширюються?

Але це вже інша динаміка, інші рівняння… Віріальна маса на базі цих рівнянь практично дорівнює масі, яка визначається по світимості. А прихованих мас просто немає! І середня щільність матерії у Всесвіті залишається в кілька разів менше критичної, а сам Всесвіт нестримно розширюється.

Чи не парадокс Цвіккі є непрямим свідченням на користь саме цієї точки зору? Адже якщо всі інші варіанти не виправдаються, залишиться тільки цей…

Автор: В. Комаров.