Борис Штерн
Як виглядає сучасний Всесвіт? Вона однорідна в цілому, на великих масштабах, - скажімо, на відстанях 300 мегапарсек (мільярд світлових років) однорідність дотримується з хорошою точністю. На менших масштабах є галактики, скупчення галактик і так звана великомасштабна структура, схожа на тривимірну мережу з перетинками, - щось пористу неправильної форми. Найбільший масштаб цих неоднорідностей - приблизно 100 мегапарсек (300 млн світлових років). Великомасштабна структура була виявлена на тривимірних картах розподілу галактик в 1980-х роках.
Простір усередині осередків, між перетинками, називається Увійдіть - там практично немає галактик. Товщина стінок - близько однієї десятої від їх розміру. Там, де стінки перетинаються, щільність ще вище, а в вузлах знаходяться гігантські скупчення галактик.
Контраст щільності в цій структурі досить великий. У стінках щільність речовини на порядок більше, ніж в увійшовши. У волокнах на перетині стінок - ще на порядок вище. А в вузлах, де знаходяться гігантські скупчення галактик, щільність порядку на три вище середньої. Звідки взялася ця мережа, скупчення галактик, самі галактики? Виявляється, якби Всесвіт спочатку була абсолютно однорідною, то ця структура не змогла б виникнути.
Будь-яке середовище, що заповнює простір, схильна до гравітаційної нестійкості, що носить ім'я Джинса. Будь-які згущення прагнуть стиснутися під дією власного тяжіння. Стиску може перешкоджати тиск середовища, але якщо неоднорідність має досить великий розмір (критичний розмір Джинса пропорційний швидкості звуку в середовищі), то згущення починає стискатися - спочатку за експоненціальним законом, потім за низки умов може перейти в режим вільного падіння. Саме нестійкість Джинса привела до утворення зірок в галактиках.
Великомасштабна структура Всесвіту за даними Слоановского цифрового огляду неба (Sloan digital sky survey). Сюди потрапив «зріз» неба розчином 2,5 °. Темні сектора - площину Галактики, де спостереження утруднені через пил. Синіми крапками позначені еліптичні галактики, червоними - інші. Деякі масивні і щільні скупчення галактик набувають вигляду радіально спрямованих рисок через великий розкид швидкостей - ці швидкості додаються до виміряного червоному зсуву.
У разі розширення Всесвіту нестійкість працює інакше. Обурення ростуть повільніше: не по експоненті, а лінійно - контраст збурень зростає пропорційно масштабному фактору Всесвіту. У якийсь момент, коли згущення стає гравітаційно пов'язаних, зростання стає нелінійним, причому на стадію нелінійності раніше виходять неоднорідності меншого розміру - галактики і скупчення галактик. А ще раніше - перші зірки, які були гігантськими.
Чарункова структура зі стінок і увійдіть не встигла вийти на нелінійну стадію (і вже не вийде). Як вона утворилася? Важко припустити, що початкові обурення щільності мали таку хитру структуру. Відповідь проста: великомасштабна структура є мережею каустик.
Подібне явище можна спостерігати на стіні, куди падає світло, відбите від поверхні води з легкої безладної брижами. Або у вигляді аналогічної світловий картини на дрібному дні. Ми бачимо рухливу сітку з яскравих смуг. Саме мережу, а не плавні переливи яскравості, подібні самої ряби. Пам'ятайте, що писав Микола Гумільов про жирафа:
... І шкуру його прикрашає чарівний візерунок,
З яким рівнятися насмілиться лише місяць,
Дріб і хитаючись на вологості широких озер.
Це в точності про мережу каустик в відображенні від ряби, на яку дійсно схожа розфарбування жирафа. Математично суть «чарівного візерунка» і великомасштабної структури одна і та ж, тільки на воді фокус відбувається з кутом відбиття або заломлення, а в разі великомасштабної структури - зі швидкостями і відстанями - гравітаційна нестійкість у Всесвіті працює так, що матерія переважно накопичується на найближчій площині згущення.
Ще в 1970 році Я. Б. Зельдович аналітично показав, що позитивна флуктуація щільності збирається в плоский млинець (термін «млинці» прижився надовго). Таким чином, структура з пересічних млинців була передбачена ще до свого відкриття. Згодом шляхом моделювання із залученням все зростаючих обчислювальних ресурсів чарункова структура була відтворена в усьому її пишноті.
Результат чисельного експерименту «Міленіум», в якому моделювався зростання первинних збурень через гравітаційної нестійкості, аж до утворення галактик і їх скупчень. Кожна точка на малюнку - галактика. Яскраві плями - великі скупчення галактик. Архів зображень астрофізичного інституту Товариства Макса Планка (MPA) www.mpa-garching.mpg.de/galform/millennium/
Але ні чарункова структура, ні галактики, ні їх скупчення не змогли б виникнути, якби рання Всесвіт була абсолютно однорідною. Відомий закон зростання збурень диктує, що для появи спостерігається структури контраст неоднорідностей густини в епоху рекомбінації повинен бути трохи більше однієї тисячної: Всесвіт з тих пір розширилася в тисячу разів, і контраст повинен був вирости в тисячу разів, щоб стати порядку одиниці і перейти в нелінійну стадію, утворивши галактики.
Епоха рекомбінації важлива тут тому, що у нас є «фотографія» Всесвіту цього віку (380 тис. Років) - карта реліктового мікрохвильового випромінювання. Значить, ми повинні бачити цю затравочную «брижі» на карті реликта! Причому неоднорідності температури реліктового випромінювання на зразок повинні бути того ж порядку, що і контраст щільності, хоча і не такими самими: при перекладі одного контрасту в інший замішаний ряд нетривіальних ефектів.
У 1970-1980-х роках склалася досить напружена ситуація. Вже робилися вимірювання реліктового випромінювання з хорошою чутливістю. Однак воно виглядало однорідним навіть тоді, коли рівень чутливості в одну тисячну був досягнутий на наземних радіотелескопах. Тоді найбільш чутливою установкою був РАТАН-600 на Північному Кавказі (радіотелескоп Академії наук діаметром 600 м). Перший результат, докладений керівником наукової програми радіотелескопу Юрієм Парійським, викликав недовіру. Виходило, що неоднорідностей температури реліктового випромінювання немає на рівні 10-4. А як же тоді утворилися галактики !?
Подекуди лунав гомін, що дані невірні. Але незабаром результат про відсутність неоднорідностей з контрастом 10-4 був підтверджений на інших радіотелескопах. А межа за даними РАТАН-600 був знижений до рівня 10-5 і навіть менше. Це змусило добряче похвилюватися космологов - вимальовувався справжнісінький криза. Грунт йшла з-під ніг: ми бачимо галактики і їх скупчення, точно знаємо, як еволюціонують неоднорідності, але не бачимо того, з чого вони повинні розвиватися.
Темна матерія, рятівна і невловима
Тут на сцену вийшла темна матерія. Приблизно в той же час стало ясно, що галактики істотно важче, ніж складові їх зірки, газ і пил. В галактиках є щось ще, оскільки вони обертаються дуже швидко - потрібна велика маса, щоб своїм тяжінням врівноважити відцентрову силу. З'явився навіть кандидат на роль темної матерії - нейтрино. Якщо у нейтрино є невелика маса, то реліктові нейтрино, подібні реліктовим фотонам, але вже повільні через свою маси, можуть накопичуватися в галактиках і робити їх важче. Якраз до місця з'явився і експериментальний результат, що давав масу нейтрино близько 30 еВ - навіть більше, ніж було потрібно. Як з'ясувалося, результат цей був невірним, але думка про масивному нейтрино продовжувала носитися в повітрі - вона, по крайней мере, пом'якшувала криза.
Якщо у нейтрино є маса, наприклад 10 еВ, то за часів рекомбінації газ нейтрино становив більшу частину маси Всесвіту. І що важливо, нейтрино були вже повільними ще задовго до рекомбінації. Гравітаційна нестійкість на великому масштабі неоднорідностей почала працювати для них раніше, ніж для звичайного речовини (нейтрино дуже слабо взаємодіють і поширюються у Всесвіті вільно починаючи з перших секунд після Великого вибуху). Тому до моменту рекомбінації вони могли створити великі ями гравітаційного потенціалу (в перерахунку на сучасну Всесвіт - 20 мегапарсек і більше), куди потім «стече» звичайну речовину, утворивши великомасштабну структуру.
За допомогою нейтрино вдавалося звести кінці з кінцями, якщо первинні неоднорідності, зафіксували в реліктовому випромінюванні, залишалися на рівні однієї десятитисячної. Але цей рівень був уже пройдено - на ньому не виявилося жодної анізотропії!
Вихід міг бути лише один: темна матерія складається з невідомих часток, майже не взаємодіють із звичайною речовиною, швидше за все, набагато важчих, ніж нейтрино, і більш важких, ніж протони. Потрібно, щоб у перші хвилини Всесвіту вони
вже були повільними. Подібна темна матерія отримала назву «холодної». В цьому випадку контрасту початкових неоднорідностей трохи більше, ніж 10-5, вистачає, щоб до моменту рекомбінації темна матерія встигла «скомковаться» до контрасту 10-3, необхідного для утворення галактик. Звичайне речовина потім потягнеться за темною матерією. При цьому мережа каустик, про яку йшла мова вище, формується саме темною матерією, і лише потім звичайна баріонів матерія стягується в цю мережу і підсвічує її утворилися зірками. Так і виникає великомасштабна структура.
Центральна частина масивного скупчення галактик Abell 1689. Блакитні дуги - зображення галактик, що знаходяться за скупченням, розтягнуті і посилені через ефект гравітаційного лінзування. За допомогою подібних дуг вимірюють масу скупчення і навіть розподіл маси по його площі. З цих оцінок видно, що для пояснення величезної маси скупчення не обійтися без темної матерії, кількісно перевершує звичайну в кілька разів.
Виходить так: первинні неоднорідності (їх походження обговорюється нижче) мали амплітуду 5 · 10-5 (сучасна оцінка) - як в темній, так і в звичайній матерії. До епохи рекомбінації звичайна матерія залишилася з тим же контрастом - в ній занадто велике радіаційне тиск і немає умов для розвитку гравітаційної нестійкості. А в холодній темній матерії умови є! Тому до епохи рекомбінації вона могла збільшити свій контраст майже на два порядки. Але не більше - на більше не вистачає часу.
Виходить, первинні неоднорідності, а значить, і неоднорідності звичайної речовини до моменту рекомбінації і анізотропія реліктового випромінювання (які близькі за величиною) не можуть мати контраст менше, ніж 10-5! Це суперечило б факту формування галактик. Анізотропія 10-5 (яка традиційно позначається як дисперсія температури випромінювання ΔT / T) була останнім рубежем, далі якого теорія не могла відступати - за цим кордоном починалася містика. А з заяв команди РАТАН-600 випливало, що цей рубіж вже пройдено.
Перед космологією як наукою замаячила сувора проблема. Грунт йшла з-під ніг: ми бачимо галактики і їх скупчення, точно знаємо, як еволюціонують неоднорідності, але не бачимо того, з чого вони повинні розвиватися. Здавалося, ще трохи - і залишиться тільки розвести руками: космологія як наука не працює - ніхто нічого не розуміє.
Проблема розсмокталася до кінця 1980-х, початку 1990-х років. Серія експериментів в космосі ( «Релікт», COBE) показала, що неоднорідності реліктового випромінювання існують, і їх амплітуда якраз порядку 10-5, трохи вище. Наука вистояла!
Що стосується даних РАТАН-600, то, схоже, просто відбулася деяка плутанина у визначеннях величин. Зараз видно, що РАТАН-600 не міг досягти рівня 10-5 - цьому перешкоджали існуючі фони галактичного походження і апаратні шуми.
Проте, напруженість, викликана тривалим очікуванням відкриття анізотропії реліктового випромінювання (в яку вніс свою лепту РАТАН-600), зіграла велике значення, привівши теоретиків в тонус, змусивши їх як слід продумувати модель холодної темної матерії. Зокрема, тому виявлення анізотропії реліктового випромінювання було зустрінуте у всеозброєнні.
В існуванні темної матерії не сумнівається майже ніхто з учених: вона дуже потрібна в космології та астрономії, причому ставить все на свої місця. Відомо, скільки її, приблизно відомо, якими властивостями вона повинна володіти. Але в сучасній фізиці частинок темна матерія залишається загадкою. У стандартній моделі елементарних частинок немає нічого схожого на темну матерію.
Справа в тому, що вона вимагає нової фізики. Є теорії, що мають статус гіпотез, де такі частинки існують. В принципі, темна матерія може бути знайдена, якщо вона хоч якось пов'язана зі звичайною. Якщо вона, нехай слабо, взаємодіє зі звичайними частинками, то її можна зареєструвати в великих детекторах, розташованих глибоко під землею. В інших експериментах намагаються виявити потік нейтрино з центру Землі або від Сонця - частинки темної матерії можуть накопичуватися там під дією тяжіння і аннигилировать один з одним, народжуючи нейтрино. Поки нічого не знайшли.
Зіткнення двох скупчень галактик. Накладено три зображення: оптичне (галактики), рентгенівське (рожевий колір - гарячий газ) і реконструкція розподілу маси (синій колір), зроблена за допомогою гравітаційного лінзування. Галактики з їх зірками вільно пройшли один через одного і з ними - хмари темної матерії, в яких міститься основна маса (два синіх хмари). А газ скупчень, який за масою на порядок перевершує зірки галактик, непружно провзаємодіяти - хмари газу відстали від своїх накопичень.
Якщо темна матерія розпадається на звичайні частинки, зокрема, на гамма-кванти, то останні можна виявити в космосі. Вже було дещо не підтверджених заяв з цього приводу:
• Стверджувалося, що внесок від розпаду темної матерії бачать в даних космічного гамма-телескопа EGRET, але потім з'ясувалося, що це результат неправильного обліку властивостей детектора.
• Стверджувалося, що космічний спектрометр PAMELA реєструє надлишок позитронів, якою пояснюється розпадом темної матерії, але виявилося, що позитрони непогано пояснюються і звичайними астрофізичними джерелами.
• Стверджувалося, що космічний гамма-телескоп "Фермі" «побачив» особливість в спектрі електронів високих енергій. Але після ретельної калібрування інструменту особливість «розсмокталася».
• Нарешті, в даних "Фермі" знайшли пік в спектрі гамма-квантів високих енергій, що летять від центру нашої Галактики. Це приписали анігіляції часток темної матерії.
Уже вийшли десятки, якщо не сотні робіт на це тему. Автор недавно (в січні 2013 року) власноруч перевірив цей пік за відкритими даними - замість того, щоб стати більш значущим за останній рік спостережень, пік цей теж практично «обнулився». Тобто це була статистична флуктуація.
Таким чином, темна матерія поки старанно вислизає від нас.
Борис Штерн
джерело Полит.ру
Це фрагмент з книги відомого астрофізика і популяризатора науки Бориса Штерна «Прорив за край світу» . 19 червня в московській Бібліотеці-читальні ім. Тургенєва відбудеться лекція Бориса Євгеновича за мотивами свіжонаписані книги, в якій зібрані інтерв'ю з Андрієм Лінде, Володимиром Лукашем, В'ячеславом Мухановим, Олексієм Старобинским. Науковим редактором видання виступив академік РАН Валерій Рубаков.
Звідки взялася ця мережа, скупчення галактик, самі галактики?Як вона утворилася?
