Единственным способом было бы изменение законов гравитации, но лучшие из наших наблюдений отметают такие изменения.

Разница между ожидаемым и наблюдаемым с годами выросла, и мы всё сильнее напрягаемся, чтобы заполнить этот разрыв.
— Джеремия П. Острикер

Если вы интересуетесь космосом, Вселенной и тем, что в ней есть, вы должны были слышать о тёмной материи – или хотя бы о проблеме тёмной материи. Давайте коротко пробежимся по тому, что вы сможете увидеть, если посмотрите на Вселенную при помощи величайшей технологии телескопов, которую человечество смогло создать.

Нет, не это изображение. Это вы сможете увидеть очень хорошо вооружённым глазом: небольшой регион пространства, содержащий немного тусклых звёзд, находящихся в нашей галактике, и ничего более.

Мы рассмотрели не только этот конкретный регион, но и множество других подобных, при помощи невероятно чувствительных инструментов. Даже для такого региона, лишённого ярких звёзд, галактик или известных кластеров и групп, нам нужно всего лишь направить наши камеры на него в течении достаточно долгого времени. И если времени пройдёт много, мы начнём собирать фотоны от невероятно тусклых и дальних источников. Этот маленький участок под названием XDF – результат наблюдения в эксперименте Hubble eXtreme Deep Field, регионе настолько малом, что для покрытия всего ночного неба таких регионов потребовалось бы 32 000 000. И вот что всё же увидел там телескоп им. Хаббла.

На этой картинке найдено 5500 уникальных галактик, что означает, что во Вселенной не менее 200 миллиардов галактик. Но не смотря на впечатление, производимое этим количеством, это всё же не самое впечатляющее открытие, сделанное нами по поводу Вселенной при изучении большого количества и разнообразия галактик, групп и кластеров.

Подумайте, что заставляет эти галактики сиять, расположены они совсем близко от нас или в десятках миллиардов световых лет.

Это сияют звёзды в галактиках! За последние 150 лет одним из главных достижений астрономии и астрофизики стало понимание того, как звёзды формируются, живут, умирают и сияют во время жизни. Когда мы измеряем звёздный свет из любой из видимых галактик, мы сразу можем сказать, какие в ней присутствуют звёзды и какова их общая масса.

Запомните этот факт, пока мы будем двигаться вперёд: свет от галактик, групп и кластеров рассказывает нам о массе звёзд, содержащихся в галактике, группе или кластере. Но мы умеем измерять не только звёздный свет!

Мы можем измерять движение галактик, скорость их вращения, их относительные скорости, и так далее. Это даёт нам очень многое, поскольку на основании законов гравитации, если мы измерим их скорости, мы можем подсчитать, сколько в них должно быть массы и материи!

Задумайтесь: законы гравитации универсальны, а это значит, что они одинаковы по всей Вселенной. Закон, управляющий Солнечной системой, должен быть таким же, как закон, управляющий галактиками. Получается, что у нас есть два разных способа измерения массы крупнейших структур во Вселенной:

Мы можем измерять исходящий от них звёздный свет, и поскольку нам известны принципы функционирования звёзд, мы можем предположить, сколько они содержат массы.
Мы можем измерить их движение, зная, связаны ли они гравитацией, и как именно. Исходя из гравитации мы можем предположить, сколько массы содержится в данных объектах.

И мы задаём важный вопрос: сходятся ли эти два значения, и насколько?

Они не просто не сходятся, они даже рядом не стоят! Если подсчитать количество массы в звёздах, вы получите одно число, а если подсчитать количество массы, исходя из гравитации, вы получите число в 50 раз больше. Это происходит вне зависимости от того, изучаете ли вы маленькие галактики, большие галактики, или же группы и кластеры галактик.

Получается довольно важная вещь: либо 98% всей материи Вселенной содержится не в звёздах, либо неверно наше представление о гравитации. Давайте рассмотрим первый вариант, так как по нему у нас есть множество данных.

Может существовать довольно много вещей кроме самих звёзд, составляющих массу галактик и кластеров, включая:

• комки несветящейся материи, типа планет, лун, мелких спутников, астероидов, ледяных глыб, и т.п.;
• нейтральный и ионизированный межзвёздный газ, пыль и плазма;
• чёрные дыры;
• остатки звёзд типа белых карликов и нейтронных звёзд;
• очень тусклые звёзды и карликовые звёзды.

Дело в том, что мы измерили большое количество таких объектов и общее количество нормальной (состоящей из протонов, нейтронов и электронов) материи во Вселенной из разных независимых наблюдений, включающих обилие лёгких элементов, космическое микроволновое фоновое излучение, крупномасштабные структуры Вселенной и прочее, благодаря астрофизическим наблюдениям. Мы даже довольно точно ограничили вклад нейтрино; и вот, что мы узнали.

Около 15-16% общего количества материи во Вселенной состоит из протонов, нейтронов и электронов, и большинство её находится в межзвёздных (и межгалактических) газе и плазме. Существует, возможно, ещё 1% в виде нейтрино, а остальное приходится на долю массы, которая не состоит из частиц, присутствующих в Стандартной модели.

Это и есть проблема тёмной материи. Возможно, что добавление некоей невидимой новой формы материи – это не решение, а просто законы гравитации на больших масштабах работают не так. Давайте я расскажу вам краткую историю задачи тёмной материи, и о том, что мы узнали о ней со временем.

Формирование крупномасштабных структур сначала представляли себе плохо. Но начиная с 1930 годов Фриц Цвики [Fritz Zwicky] начал измерять звёздный свет, исходящий из присутствующих в кластерах галактик, а также скорость движения отдельных галактик друг относительно друга. Он отметил большое несоответствие, упомянутое выше, между присутствующей в звёздах массой и массой, которая должна там быть, чтобы связывать кластеры друг с другом.

Эту работу по большому счёту игнорировали почти 40 лет.

Когда мы начали проводить масштабные космологические наблюдения в 1970-х, такие, как PSCz, их результаты показали, что кроме проблемы динамики кластеров Цвики, наблюдаемым нами структурам требовался невидимый небарионный источник массы, для того, чтобы эти структуры могли существовать. (Эти результаты с тех пор были улучшены такими наблюдениями, как 2dF, выше, и SDSS.)

Также в 1970-х работа Веры Рубин, оригинальная и очень влиятельная, привлекла новое внимание к вращению галактик, и к ярко демонстрируемой ими проблемы тёмной материи.

На основе известных данных о законе гравитации и наблюдений, посвящённых плотности нормальной материи в галактиках, можно было бы ожидать, что при удалении от центра вращающейся спиральной галактики звёзды, вращающиеся вокруг её центра, замедляли бы скорость. Это должно было бы напоминать явление в нашей Солнечной системе, когда у Меркурия выше орбитальная скорость, затем у Венеры эта скорость меньше, у Марса ещё меньше, и т.п. Но во вращающихся галактиках вместо этого оказывается, что скорость вращения звёзд остаётся постоянной, если вы удаляетесь на всё большие и большие расстояния от центра, что говорит о том, что либо там содержится больше массы, чем может содержаться в нормальной материи, либо законы гравитации требуют доработки.

Тёмная материя лидировала среди предложенных решений этой проблемы, но никто не знал, была она барионной, или нет, какие у неё были температурные характеристики, и взаимодействует ли она сама с собой и с нормальной материей. У нас были ограничения того, чего она делать не может, и некоторые многообещающие ранние симуляции, но ничего особенно убедительного. А затем начали появляться альтернативы.

MOND, или MOdified Newtonian Dynamics, модифицированная Ньютоновская динамика, была предложена в начале 1980-х, как экспериментально-эмпирическое объяснение вращения галактик. Для небольших структур галактических масштабов оно работало хорошо, но не справилось с крупными масштабами. Она не могла объяснить галактические кластеры, крупномасштабные структуры и обилие лёгких элементов, в числе прочего.

И хотя специалисты по динамике галактик ухватились за MOND, потому что она лучше тёмной материи объясняла кривые вращения галактик, все остальные были очень скептичны, и не зря.

Двойной квазар, самый первый объект, подвергшийся гравитационному линзированию

Кроме неудач со структурами масштабнее отдельных галактик, теория оказалась ненадёжной теорией гравитации. Она не была релятивистской, и не могла объяснить изгибание звёздного света под действием массы, гравитационное изменение времени и красное смещение, поведение двойных пульсаров или все остальные релятивистские гравитационные явления, чьё соответствие предсказаниям Эйнштейна было подтверждено. Святым Граалем MOND – то, чего требовали приверженцы тёмной материи, и я в их числе – была такая релятивистская версия, которая могла бы объяснить кривые вращения галактик вместе со всеми остальными успехами в сегодняшней теории гравитации.

Недавно НАСА выпустило набор изображений с телескопа им. Хаббла, заглянувшего ещё дальше в прошлое Вселенной благодаря явлению гравитационного линзирования, последствию теории гравитации Эйнштейна. MOND не может объяснить это явление так, как его наблюдают: ни для одной из линзированных галактик, множества изображений, растягивания или величины изгибания света.

Для всего этого нужна тёмная материя, или некий невидимый источник массы, не состоящий из любых известных Стандартной модели частиц. Но это не единственное имеющееся у нас доказательство, опровергающее альтернативы теории Эйнштейна или даже гипотетические изменения, пока ещё не обнаруженные, которые позволят воспроизвести MOND.

С течением лет тёмная материя добилась множества космологических успехов. По мере улучшения понимания крупномасштабных структур Вселенной от плохого до хорошего, и появления точного измерения мощностного спектра материи (выше) и флюктуаций космического микроволнового фонового излучения (ниже), было установлено, что тёмная материя прекрасно работает на больших масштабах.

Иными словами, новые наблюдения – так же, как наблюдения, сделанные для нуклеосинтеза Большого взрыва – соответствовали Вселенной, содержащей в пять раз больше тёмной материи (не-барионнной), чем обычной.

Затем в 2005 году было обнаружено доказательство. Мы увидели два галактических кластера в процессе столкновения, и это означало, что при подтверждении теории тёмной материи мы увидим, как барионная материя – межзвёздный и межгалактический газ – будет сталкиваться и разогреваться, а тёмная материя, и гравитационный сигнал вместе с ней должна будут пройти насквозь и не замедлиться. Ниже вы можете видеть наблюдения в рентгеновском диапазоне кластера Пуля в розовом цвете, на которое наложено гравитационное линзирование, изображённое синим.

Это была большая победа тёмной материи и большой вызов всем моделям изменённой гравитации: если тёмной материи не существует, как бы кластер догадался «разделить массу и газ» после столкновения, но не до него?

Тем не менее, малые масштабы пока представляют проблему для тёмной материи, они ещё не так хорошо объясняет вращение отдельных галактик, как MOND. А благодаря её релятивистской версии, TeVeS, сформулированной ныне покойным Джейкобом Бекенштайном [Jacob Bekenstein], всё выглядит так, будто у MOND есть шансы.

Гравитационное линзирование (осуществляемое обычной материей) и некоторые релятивистские явления можно объяснить с её помощью и, наконец, появился понятный способ провести различия между двумя теориями: нужно было найти наблюдаемое явление, в котором предсказания TeVeS отличались бы от предсказаний Общей теории относительности. Удивительно, но такая ситуация существует в природе.

Вращающиеся нейтронные звёзды – остатки ультрамассивных звёзд, превратившихся в сверхновую, и оставивших после себя атомное ядро солнечной массы – крохотные объекты, всего лишь несколько километров в диаметре. Представьте объект, в 300 000 раз более тяжёлый, чем наша планета, спрессованный в одну стомиллионную долю Земли! Можно представить, что вблизи этих ребят гравитационные поля становятся по-настоящему напряжёнными, и дают нам одни из самых убедительных тестов в области сильных полей и теории относительности.

Бывает так, что у нейтронной звезды её осевые «лучи» направлены прямо на нас, и они «пульсируют» каждый раз, когда звезда завершает свою орбиту – а такие небольшие объекты могут проделывать это до 766 раз в секунду! (В случае таких пульсаций нейтронные звёзды называют пульсарами). В 2004 году была обнаружена ещё более редкая система: двойной пульсар!

За последние десять лет велись наблюдения за тесным гравитационным танцем этой системы, и ОТО Эйнштейна подверглась небывалому испытанию. Видите ли, когда массивные тела движутся по орбитам друг вокруг друга в очень сильных гравитационных полях, они должны испускать совершенно определённое количество гравитационного излучения. И хотя у нас нет технологии для прямого измерения этих волн, у нас есть возможность измерения уменьшения орбит из-за этого излучения! Майкл Крамер из Радиоастрономического института им. Макса Планка был одним из учёных, работавших с этим случаем, и вот, что он рассказал про орбиты в этой системе:

Мы обнаружили, что это приводит к уменьшению орбиты на 7,12 миллиметров в год, с погрешностью в девять тысячных миллиметра.

А что могут сказать об этом наблюдении TeVeS и ОТО?

Оно согласуется с теорией относительности на 99,95% (с погрешностью в 0,1%), и – приготовились – отбрасывает все физически осмысленные воплощения Бекенштейновской TeVeS. Как с небывалой краткостью заявил учёный Норберт Векс:

С нашей точки зрения, это опровергает TeVeS.

На самом деле, недавно была опубликована самая точная в истории симуляция формирования структур (с использованием ОТО и тёмной материи), и она согласуется со всеми наблюдениями, совместимыми с нашими техническими возможностями. Посмотрите это удивительное видео от Марка Вогельсбергера [Mark Vogelsberger] и поразитесь!

И, учитывая всё это, именно поэтому главный соперник тёмной материи выбыл из соревнования. Его убила не догма, консенсус или политическая воля, но сами наблюдения: пульсаров, сталкивающихся кластеров, космического микроволнового излучения, крупномасштабных структур, гравитационного линзирования. Всё ещё непонятно, почему на масштабах галактик MOND ведёт себя лучше, но пока она не сможет дать объяснения всех остальных наблюдаемых явлений, она так и останется призраком теории.