Тёмная материя — самая загадочная субстанция во Вселенной. Но это не выдумка учёных — свидетельств ее существования куда больше, чем вы думали. О том, как исследователи изучали феномен тёмной материи и что они имеют на сегодняшний день, рассказал астроном-наблюдатель Специальной астрофизической обсерватории РАН Евгений Малыгин.
Чтобы разобраться зачем необходима тёмная материя физике — и то, очень и очень отдалённо — важно сначала изучить другие правила исследования Вселенной. Будем честны — понять устройство Вселенной, прочитав один текст, не получится. Всё очень сложно. Учёные тратят десятилетия на исследования, чтобы лишь приблизительно понять, как она устроена. На научно-популярных ресурсах, максимум, что вы сможете узнать — лишь очень отдалённую картину мира, многократно отфильтрованную и переведённую с дремучего языка математики и физики. Загадка тёмной материи — на самом деле уже не загадка для учёных. Но прежде чем рассказать об этой субстанции, следует обратиться к тому, как работает наука.
Как работает наука. Модели
Учёные стараются описать окружающую Вселенную наиболее простыми моделями. К слову, точно измерить Вселенную невозможно (и это строго доказано), и всё, что нам остаётся — это лишь приближённо описывать Вселенную моделями. Как только простая модель не способна описать наблюдения — модель усложняется. Порой происходит вообще слом парадигм и это нормально. Учёные постоянно всё стараются описать как можно проще, но при этом провести эксперимент, который сломает имеющуюся модель, чтобы ещё более точно описать физику чуть более сложной моделью, ведь всё, что сейчас есть в науке — заведомо неполно. Правила исследований предельны просты: модель хороша, когда описывает наблюдаемые данные, и превосходна, когда в состоянии предсказать какие-то явления наперёд.
Научные теории способны предсказать, например, вспышку Сверхновой (к слову, промоделировав распределение массы в гравитационной линзе, с учётом гало тёмной материи, отдельных галактик и так далее, которая согласно Общей теории относительности гравитационно отклоняет свет линзированных лучей), а какой-нибудь дилетант-путаник придумает свою супер-собственную теорию всего имени себя самого, основанную на квантовых спиральных бульбуляциях вихревых полей эфирного вакуумного сознания, которая ничего не описывает и не предсказывает — а, следовательно, бестолковая. При встрече таких «понявших всё» фантазёров-коекакеров — смело посылайте их на три буквы (в лес) и не тратьте на их россказни своего времени.
В итоге, как развивается наука? Некогда была картина мира Птолемея, где в центре мироздания находилась наша планета. Напряглись, но смогли построить модель движения небесных светил. Но появились наблюдения (например, орбита Марса всё никак не укладывалась в имеющуюся модель), которые требовали более аккуратных описаний. Кеплер проанализировал имеющиеся наблюдательные данные и эмпирически сформулировал законы, названные в его честь. Это послужило импульсом для вывода Ньютоном основных законов механики и теории всемирного тяготения. Это очень могучие законы, позволившие предсказать наличие планеты Нептун, которая гравитационно возмущала планету Уран. Однако, ньютоновской механики оказалось недостаточно для объяснения орбиты Меркурия и проблему удалось разрешить лишь представленной Эйнштейном Общей теорией относительности, которая наиболее полно описала предыдущие наблюдения и смогла предсказывать куда более интересные и удивительные явления природы вокруг нас.
То есть, имеющиеся законы физики могут постоянно уточняться. То, что ранее считалось предельно точным описанием при более внимательном исследовании оказывается лишь приближённым. Модели обрастают более уточнёнными детализациями. Новые теории обобщают старые, учитывают всё наблюдаемое ранее. Они усложняются и развиваются.
Что такое моделирование?
Чтобы дальше понять смысл рассуждений — необходимо разобраться что стоит за компьютерным моделированием реальных наблюдательных данных. Я покажу на реальных примерах настоящих астрономических наблюдений.
Далёкие от реальной науки обыватели думают, что смогут понять Вселенную без знаний математики (это самообман). В действительности, хорошему исследователю без математического аппарата не удастся даже толком обработать полученные данные (необходимо знать математическую статистику, поскольку идёт измерение случайных величин). Всё начинается с получения подобных изображений.
Загадка темной материи
Чтобы получить подобную обработанную картинку — придётся изрядно попотеть, получив ряд калибровочных кадров, исследовав приёмник излучения, написав программы обработки «сырых» данных и много чего ещё попутно. Наконец, в итоге перед нами предстанет нечто похожее. Это прямой снимок далёкой активной галактики VII Zw 244 (что такое квазары, в ответе так же приведена полезная картинка, что предполагается в центре ядра активной галактики), состоящей из сотен миллиардов звёзд. Выглядит не густо. Я опускаю подробности, как определяется, что это далёкая галактика. На это ещё нужно с десяток ответов написать.
Окей, несколько лет мониторинга дают нам изменение потока от этой активной галактики — то есть, как менялась яркость объекта за чуть более 800 дней.
Темная материя в физике
Два цвета — два разных фильтра. В одном центральная длина волны 5250 ангстремов, в другом 5500 ангстремов. В одном фильтре мы видим изменение потока от аккреционного диска вокруг сверхмассивной чёрной дыры, в другом изменение потока от облаков газа, обращающихся на более далёком расстоянии от чёрной дыры (подробнее, читайте в статье). Смысл в том, что если из красной кривой вычесть синюю — она по форме должна повторить синюю, но она должна быть смещена вперёд по времени. Ровно на то время, которое свет от аккреционного диска идёт до облаков газа. Это закладывается в физике модели ядер активных галактик. Если это не так — моделирование бесполезно и ничего не даст. Если удастся смоделировать кривые, кусками которой являются эти точки в виде измерений потоков за 800 дней — тогда модель работает, поможет измерить расстояние до орбиты газа, и определить массу сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики. И это должно работать для сотен других наблюдений активных галактик. Иначе модель некорректна и её следует уточнять. Ещё раз — посмотрите на первый кадр и какие глубокие выводы стоят за дальнейшим его анализом. Человек видит то, что знает. Годы наблюдений и годы исследований стоят за получаемыми результатами.
А вот результат моделирования. Действительно, красная кривая блеска смещена во времени относительно синей, что показывает, что из разных частей ядра излучение приходит с некоторой задержкой во времени. Кривые блеска моделировались по апостериорным данным на основе mcmc-сэмплирования методами Монте-Карло в марковских цепях (мало ли, может знатоки статистики удивятся, где такие достаточно продвинутые методы применяются в астрофизике). Кривые смещены на ~31 день, значит расстояние между аккреционным диском и переизлучающими тот же поток облаками 31 световой день.
Окей, рассмотрим теперь следующую кривую блеска (получаемую из подобных прямых снимков с точечными объектами). Это затменная двойная система VZ Hya (данные взяты из статьи, отдельная благодарность Александру Колбину за прочитанный в своё время курс по обратным задачам в астрофизике!).
Темная материя и темная энергия
Изменение яркости системы со временем (по нижней оси — фаза, то есть изменение блеска всё время повторяется снова и снова, по вертикальной оси — нормализованный поток на единицу).
Опираясь на опыт большого числа исследований подобных объектов — строится наиболее простая математическая модель круговой орбиты системы сферических звёзд. Поведение двух звёзд-компонент из соображений известных законов физики описывается математически уравнениями, которые затем программируются и с помощью компьютерных вычислений наблюдаемые данные наилучшим образом описываются имеющейся моделью описанной физики.
Программируются системы уравнений, описывающих потерю блеска во время минимумов (вот этих провалов яркости, глубоких впадин в кривой блеска). На основе уравнений моделируется искусственная кривая блеска, зависящая от набора искомых параметров. Только в единственной комбинации параметров (угол наклона орбиты, радиусы звёзд, отношения блеска звёзд, параметры потемнения и так далее) — получится именно такая кривая блеска (как в наблюдениях). И это не просто подгонка параметров. В моделировании закладывается реальная физика (уравнения небесной механики, элементарной геометрии, законов излучения и так далее). Когда мы применим эту модель для кривой блеска подобных объектов иной формы — эта математическая модель так же детально опишет и их переменность яркости.
Падение блеска обусловлено затмением, когда при вращении системы бо́льшая звезда затмевает меньшую звезду (и наоборот).
При иных параметрах (иные радиусы компонент, или другой наклон к лучу зрения) — кривая блеска будет существенно иной. Будут иные профили затмений, будут иные глубины этих падений блеска.
Решается обратная задача — когда из имеющихся наблюдательных данных получается искомый набор параметров, которые и привели именно к таким наблюдениям.
Я привёл пример двух достаточно простых моделей того, что происходит в центре активной галактики и в затменной двойной системе звёзд. Надеюсь, мне удалось передать основную суть моделирования в науке. Это не самое тривиальное занятие, программные коды раздуваются на сотни строк, вычисления сильно грузят процессоры и занимают некоторое время. Однако, приведённые примеры достаточно просты. Ведь они описывают наблюдательные проявления лишь определённых видов объектов (квазары и двойные затменные звёзды). Представьте, насколько сложно смоделировать эволюцию целой наблюдаемой Вселенной в течении ~14 миллиардов лет?
Зачем на самом деле нужна тёмная материя?
С одной стороны, имеется большая дисперсия скоростей галактик в скоплениях, с другой стороны, имеются плоские кривые вращения галактик за пределами их оптических границ. В Интернете обычно это списывают на наличие тёмной материи. И, в целом, это не лишено смысла. Действительно, имеется проблема в виде дефицита массы для описания наблюдений. Однако, эти проблемы не являются такими уж неустранимыми. В конце концов, столь привычная нам барионная масса тоже может быть невидима (более того, реально мы видим лишь 10-20% барионной массы). Скрытую массу в близких галактиках при желании можно объяснить барионами. То есть, я хочу передать мысль, что эти проблемы недостаточны для введения такой сущности как «тёмная материя». Тёмная материя в физике, на самом деле, нужна для гораздо более важных явлений — а именно для формирования галактик.
Без тёмной материи невозможно быстро вырастить флуктуации плотности с момента рекомбинации (z ~ 1300) до наших дней (z = 0). Посредством гравитационной неустойчивости Джинса никакие звёзды и галактики за время, прошедшее после рекомбинации не сумели бы образоваться. Необходима электрически нейтральная тёмная материя, переставшая взаимодействовать с излучением задолго до эпохи рекомбинации, выращивавшая свои флуктуации задолго до z ~ 1300, и именно тёмная материя доминирует в гравитации, в процессе коллапсов, фрагментаций, построения крупномасштабных структур во Вселенной.
Немного исторического экскурса в прошлое. Вернёмся на отметку в ~350 тысяч лет на шкале возраста Вселенной.
По мере расширения Вселенной температура упала настолько, что электроны уже могли рекомбинировать с протонами, образуя электрически нейтральные атомы водорода (рекомбинация гелия существенно пораньше была, поскольку энергия ионизации гелия выше, но тогда ещё Вселенная была непрозрачна для фотонов теплового излучения) — и, наконец, барионы смогли отделиться от фотонного моря. В конце эпохи рекомбинации возникло реликтовое излучение (в момент последнего рассеяния фотонов на электронах). Этот момент мы наблюдаем сейчас непосредственно как реликтовый фон. И мы можем оценить насколько температура распределена равномерно (спойлер: наблюдаемое распределение очень однородно! Как и распределение вещества).
При расширении температура Вселенной падает как (1+z), а масштаб растёт обратно пропорционально (1+z). С ~3000 К (когда барионы отделились от фотонного фона) температура в настоящую эпоху упала примерно до 2.7 К, значит и масштабы должны были измениться в тысячу раз.
Поэтому, чтобы сегодня получить нелинейный контраст флуктуаций плотности — нужно, чтобы на поверхности последнего рассеяния контраст был не меньше 10⁻³.
Стали измерять. С момента открытия реликтового излучения в 1965 году лишь когда запустили в космос аппарат COBE в 90-е годы, наконец, измерили флуктуации температуры реликтового фона по небу на уровне контраста 10⁻⁵. Если бы у нас было такое равномерное распределение температуры по небу, а теперь распределение гравитирующей материи во Вселенной существенно не однородно, не равномерно и контрасты очень велики — то для того, чтобы вырастить такие контрасты нам и нужна тёмная материя. Далее запустили аппараты WMAP и Planck, чтобы построить пространственный спектр мощности флуктуаций температуры реликтового фона.
Планк представил карту температурных анизотропий микроволнового фонового излучения. В современную эпоху анизотропия температуры реликтовых фотонов составляет ~10⁻⁵.
Окей, самое интересное — рассмотрим угловой спектр мощности анизотропии температуры микроволнового фона.
Это разложение карты реликтового излучения по мультипольным моментам, или, что то же самое, по угловым гармоникам (спектр мощности).
Причиной этих пиков являются акустические колебания, возникшие в барион-фотонной плазме до отсоединения фотонов от барионов в эпоху рекомбинации. Доступно об этих сахаровских осцилляциях для широкой публики рассказал пулковский астроном Кирилл Масленников в видео. Точность экспериментов WMAP и Planck оказалась фантастической. На графике вписанная в спектр зелёная линия — это модель ΛCDM. Осциллирующая кривая изобилует таящейся в ней информацией о ранней Вселенной. Положение пиков крайне чувствительно к кривизне нашего трёхмерного пространства, высота главного пика зависит от вклада барионов в состав Вселенной, соотношения между вторым и третьим пиками зависимы от вклада тёмной материи и так далее
Моделирование зависит от шести свободных параметров — вычисляется как развивались неоднородности тёмной материи в расширяющейся Вселенной, как колебались волны барионной материи и как они взаимодействовали через гравитацию с тёмной материей, как проходила рекомбинация вещества, как излучались фотоны реликтового излучения и как они взаимодействовали по пути. И многое другое. И подбирается такая шестёрка параметров (наклон спектра; амплитуда неоднородностей; концентрация барионного вещества; концентрация тёмной материи; кривизна Вселенной; когда происходит вторичная ионизация; остальные параметры вроде тёмной энергии — зависимые), которая наилучшим образом опишет данные. Отсюда мы и знаем всем известные соотношения, например, плотности барионного вещества ~5% от критической плотности, плотность тёмной материи, возраст Вселенной и так далее с точностью лучше процента. Отсюда и известно, что тёмной материи примерно в ~6 раз больше барионной.
И это спасло всех нас с вами, ведь собственной гравитации барионного вещества (на долю которого приходится ~5% критической плотности Вселенной) оказывается явно недостаточной для того, чтобы объяснить, как за такое короткое время ничтожно малые первоначальные флуктуации плотности в расширяющемся веществе успели вырасти и сформировать наблюдаемые ныне галактики и их системы. После рекомбинации флуктуации барионной плотности могут вырасти только в 1000 раз, а флуктуации реликтового фона ~10⁻⁵.
Барионам не хватило бы времени, чтобы с z ~ 1300 до z = 0 вырастить свои флуктуации более, чем 10⁵ раз, а тёмная материя успевает, поскольку начала флуктуировать до момента рекомбинации, будучи электрически нейтральной по своей природе.
Холодная тёмная материя бесстолновительна, у неё нет давления, есть только гравитация, и вот под действием гравитационной неустойчивости эти случайные флуктуации плотности начинают расти, уплотняться, сливаться друг с другом в более крупные сгустки тёмной материи, и весь этот процесс продолжается до наших дней. Так образуются тёмные гало галактик, сами галактики, скопления галактик, так формируется вся крупномасштабная структура Вселенной. Самым интересующимся, хардкорным и подкованным смельчакам я настоятельно рекомендую книжку Ольги Сильченко «Происхождение и эволюция галактик» к изучению! Это очень серьёзный учёный, она адепт в теме эволюции галактик. Большая удача, что есть такая книжка на русском языке. Надо читать. Потому что всё, что я сейчас написал — это очень просто, а на самом деле всё гораздо сложнее. И проблематичнее.
Важно заметить, что совершенно необязательно отождествлять скрытую массу и тёмную материю. Скрытая масса может быть барионной. Мы лишь недавно вроде бы все требуемые барионы от космологов обнаружили в наблюдениях (до этого половины барионов мы попросту недосчитывались). По крайней мере, дали неплохую оценку. Интересно, что натурально видим мы лишь 10-20% барионной массы в виде звёзд и прочих интересных объектов, что показывает, что их создание (как и нас с вами) — не такой уж эффективный процесс с точки зрения физики. А тёмная материя — это космологическое понятие. Это то, что нужно для наращивания флуктуаций плотности, которые потом могут превратиться в галактики.
Может ли оказаться, что ΛCDM-модель неверна? Разумеется. Я неспроста выше писал про неполноту науки и постоянное уточнение законов физики. Но у большинства специалистов складывается мнение, что мы движемся в верном направлении. Есть проблемы, есть несостыковки. Либо как с теорией Ньютона нам предстоит отыскать Нептун, то есть, эти самые пресловутые частицы тёмной материи, предсказанные космологами. Либо, если все наши представления неверны, то требуется новая физика (перелом парадигм время от времени происходит, как показывает история науки), как было с орбитой Меркурия и Общей теорией относительности (которая не квантуется, что представляет очередную проблему). Но! Любые альтернативы должны полно описывать все имеющиеся наблюдения и претендовать на точность выше той, которую обеспечивает современная космологическая модель (а она фантастическая, порядка процента).
Наука многого не знает, мы в лучшем случае симулируем карикатуры Вселенной. Но даже с этим незнанием мы далеко продвинулись и в понимании и в технологиях. Непонимание серьёзной физики большинством людей (тёмных материй, квантовой механики, ОТО и так далее) не останавливает прогресс. Компьютер основан на работе логических вентилей, имеющих входы и выходы. Эти логические элементы основаны на работе транзисторов, а работа этих транзисторов основана на законах квантовой механики. Спутники навигации используют уравнения ОТО, на их высотах кривизна пространства-времени меньше, чем на земной поверхности (из-за массы Земли), уже необходим учёт эффектов изменения течения времени. Если для GPS-спутников прекратить учёт — ошибка в координатах наших навигаторов проявится уже через 2 минуты и будет копиться дальше (по ~10 км/день). Физика повсюду вокруг нас, даже когда мы её не замечаем. Wi-fi был создан в лаборатории радиоастрономии. Лазеры прочно вошли в обиход, во всех отраслях науки, например, фокусированными лазерными пучками (оптическим пинцетом) измерили силу, необходимой для разрыва двойной спирали ДНК. В медицине какие прорывы благодаря физике! Про влияние изучения всяких гравитационных волн и чёрных дыр на развитие технологий я подробнее писал тут. Мы даже с непониманием достаточно далеко зашли и сделали окружающий мир комфортнее.
Относитесь к науке серьёзно. Ведь никто не тешит себя иллюзией за месяц стать олимпийским штангистом или профессиональным хирургом. Вселенная очень сложно устроена. Либо слушайте упрощённые пересказы, либо глубоко изучайте физику и разбирайтесь самостоятельно. Чтобы разговор был предметным — изучите вопрос и предложите что-то более полное и всеобъемлющее, чем то, чем сейчас оперирует наука. Любой учёный сможет сформулировать полный список интересных и острых вопросов— потому и функционирует наука. Мы много чего не знаем и не понимаем, но пытаемся разобраться. Ведь не стыдно чего-то не знать. Стыдно не пытаться.
Ранее мы рассказывали про работу астрофизиков, которая показала, что, если законы гравитации изменяются в масштабах галактик, темная материя может и не понадобиться для описания проблем аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик и скрытой массы.
Понравился наш материал? Подписывайся на «Популярный университет» в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.