Здесь я хочу написать director’s cut версию истории/расследования о тёмной материи. Тут будет куча всего того, что я не включал по разным причинам в свои предыдущие статьи и не будет скучных объяснений физики. В некотором роде, это та научная популяризация (если это можно так назвать), которая на мой взгляд и должна иметь место.
Так как я сознательно не хочу жертвовать качеством ради широкой аудитории, прошу всех кто может распространять это (шейр/реблог/ретвит)!
Также я буду делать некие оговорки для nerd-ов вот в такой выноске.
Сперва, конечно, почему именно тёмная материя? Непосредственно теорией тёмной материи я никогда не занимался. На 2-м курсе у меня была научная работа связанная с ней, но это не был поиск объяснений тёмной материи.
Дело в том, что история с тёмной материей, как и многие другие в науке, поистине детективна. А трагедия состоит в том, что этот детектив уходит в небытие вместе с его непосредственными участниками. Вообще, жанр научного детектива, истории научных открытий, постепенно вымирает. Не смотря на всю интересность этого жанра, он почти всегда остаётся за кадром научной популяризации, и сейчас я хочу внести свой вклад в хотя бы частичное его сохранение.
Первые наблюдения и вириальная теорема
Часто считается, что первым об этом явлении написал в 1933 году американский астрофизик Фриц Цвикки из Caltech (вот его статья про это, которая считается классической в этой области). Но это не так.
Первым про наличие некой непонятной массы написал в 1922 году Якоб Каптейн - нидерландский астроном, который анализировал движение звёзд в Млечном Пути и после аккуратного анализа пришёл к выводу, что они, мягко говоря, движутся не так, как нужно. Вот выдержка из концовки его статьи.
Уже позже в 1933 году вышла работа Цвикки. Он исследовал скопление галактик Coma (Волос Вероники) и обнаружил странное расхождение. Реальная скорость галактик, измеренная по эффекту Доплера оказалась в сотни раз меньше скорости, получаемой из вириальной теоремы. Иначе говоря, реальная масса скоплений оказалась примерно в 100 раз больше, чем та масса, которую мы непосредственно видели. Вот что он пишет у себя в статье.
На самом деле речь у него шла не о самих скоростях, а о разбросе скоростей или дисперсии σ. У него она получилась $$1019\pm360$$ км/сек (без учёта одной “плохой галактики” $$706\pm 267$$ км/сек). В принципе, его значение очень близко оказалось к вот этой работе 1996 года.
Помимо этого, надо понимать, что числа, полученные Цвикки были ужасно не точны. Он нормировал всё на постоянную Хаббла, которую брал равной $$558$$ (км/сек)/Мпк (реальное значение $$ \sim70$$). Поэтому, строго говоря, из работ Цвикки ничего не следовало.
Здесь он впервые вводит понятие dunkle Materie - тёмной материи. Позже в 1937 выходит его статья на английском с подправленными числами, но тем же результатом.
Кстати, тогда ещё слово галактика не использовали. Вместо этого писали Nebeln (= туманности).
В 1936 вышла статья Смита Синклейра, где он писал, что примерно то же самое происходит и в кластере Virgo (Девы): есть много массы, заключённой непонятно в чём (не в звёздах).
20 лет спустя в 1959 году выходит ещё одна важная статья Кана и Вольтера из Princeton и IAS. Они анализируют движение галактики M31 относительно ближайшего окружения и пишут, что масса нашей локальной группы почти в 10 раз больше, чем должна быть по звёздам.
Люди настолько отчаялись, что в своей вступительной речи в 1961 на конференции Santa Barbara Conference on the Stability of Systems of Galaxies Виктор Амбарцумян предложил, что у галактических кластеров может быть вообще положительная энергия, и теорема вириалов не работает для них. Т.е. кластеры нестабильны и они вообще разлетаются.
Позже ван ден Берг в 1962 написал статью, где опроверг эту мысль, сказав, что кластеризуется большая часть всех типов галактик (75% эллиптических и ~50% спиральных и неправильных). Если бы кластеры были настолько нестабильными (положительная энергия), они бы разлетались очень быстро и такого бы не было.
Позже в 1985 Форман, Джоунз и Такер из Harvard-Smithsonian Center посмотрели на молодые галактики в рентгене. Из спектра (bremsstrahlung от горячего газа) можно сделать вывод о гравитационном потенциале, а отсюда о массе. Результат у них получился примерно таким же: даже в ранних галактиках (и спиральных, и эллиптичных, и карликовых) отношение реальной массы к видимой составляет где-то от 5 до 15.
Здесь нужно сделать ремарку. Вообще говоря, наличие непонятно больших скоростей галактик в кластерах и наличие невидимой массы в галактиках в 70-е годы не рассматривалось в одном контексте. В тренде не предполагалось, что природой этих расхождений может быть нечто одно.
Распределение массы и стабильность галактик
Кривые вращения галактик позволяли судить не просто о полной массе, но и её распределении в галактиках. Первая такая работа вышла ещё в 1939 году по Андромеде. Вот график скорости звёзд от расстояния звезды до центра.
По этому графику сказать что-то определённое было трудно, но Бэбкок тем не менее написал, что на периферии галактик, действительно, находится слишком большая масса, тогда как основная часть звёзд лежит в центре (в балдже).
В 1940 году выходит статья Оорта о распределении массы в NGC 3115, где он говорит, что в общем-то распределение массы как-то мало общего имеет с распределением звёзд.
Классической же считают работу Рубин и Форда 1970 года по измерению кривой вращения той же Андромеды. Им удалось сильно продвинуться вперёд и по точности и по расстоянию до центра галактики. Вот график, который у них получился.
Действительно, видно, что скорость не спадает от расстояния, как должно было бы быть, если бы масса была в основном сконцентрирована в центре. Т.е. получается, что в чём бы эта тёмная масса не заключалась бы, она не сконцентрирована в центре.
В 1975 появилась ещё одна работа уже на линии 21 см. Они продвинулись по радиусу дальше Рубин и Форда до 180 угловых минут (~30 кпк) с тем же результатом. По этой работе, на периферии отношение реальной массы к видимой было около 200.
Здесь ещё забавный факт состоит в том, как я писал выше, что ни последние авторы, ни Бэбкок, ни Рубин с Фордом не ссылаются на Цвикки и остальных, которые мерили лишнюю массу в кластерах. Т.е. пока к 1960-м годам прямой аналогии между лишней массой в Андромеде и “тёмной материей” на масштабах кластеров у Цвикки не проводилось.
Реальным стартом тренда тёмной материи считается классические статьи, конечно же, из Princeton знаменитых Джерри Острайкера и Джима Пиблза 1973 года и 1974 года. Если коротко пересказывать статью, то это будет:
“Ау, ребят, вообще-то тут у нас должно быть тяжелое галообразное нечто вокруг галактик, чтобы стабилизировать их вращение. Иначе, привет $$E > 0$$.”
Иначе говоря, идея была следующая: доплеровские скорости звёзд были слишком большими. Либо нужно было предположить, что галактики нестабильны (что сделал ошибочно Амбарцумян для кластеров), либо сказать, что что-то должно стабилизировать их. Острайкер & co сказали, что должно быть массивное сферическое гало: масса в плоскости не могла стабилизировать галактику.
На что чуть позже в ответ полетели статьи людей, занимающихся непосредственно галактической звёздной динамикой: Кальнаис 1987 (в конце приводится странная дискуссия с участием Острайкера, Тремейна и пр.) и книжка Тримейна того же года. Они писали, что на самом-то деле для стабилизации достаточно просто большого массивного балджа и никакого “привет $$E > 0$$” не будет.
Это могло объяснить большие средние скорости (вириальную массу), но всё же не объясняло явно большие скорости звёзд на периферии (т.е. распределение массы).
Финалом, а точнее началом современной истории тёмной материи, послужила статья Фебера и Галагера 1979 года, где они ставят точки над i, связав аномальные скорости галактик в кластерах и скрытую массу на масштабах галактик. В работе они приводят кривые вращения для кучи галактик (включая Млечный Путь) и, наконец, связывают весь этот паззл воедино, ссылаясь на все возможные наблюдения на разных масштабах от Цвикки до Рубин и Форда.
Вот часть таблицы, которую они приводят. Второй справа столбец - это как раз отношение полной массы галактики к видимой.
Вот что пишут Фебер и Галагер в последней части своей статьи.
Как же они оказались правы. К 1980 году уже не осталось сомнений, что нечто странное происходит, и что на масштабах галактики и выше есть некая скрытая масса (да, именно масса) и её как минимум в 10 раз больше обычной массы, заключённой в звёздах.
При подготовке материала я пользовался этой обзорной работой.
cd ~