Раз вчера был день темной материи, расскажу-ка недавно подслушанный на ланче разговор об этом деле. Главные действующие лица - Джим Пиблс (один из наблюдательных праотцов CMB, теории формирования галактик и, соответственно, тёмной материи) и Рашид Сюняев (его представлять не нужно).
Вопрос который Джиму задали примерно сводился к следующему: в какой момент истории тёмная материя перестала быть только гипотезой меньшинства и стала мэйнстримом. Иными словами, в какой момент все-таки убедились в том, что тёмная материя - это нечто действительно существующее и, грубо говоря, начали преподавать это в курсах и печатать в учебниках как факт?
Давайте немного поговорим о космологии тёмной материи в тот момент (1970-е). Хоть словосочетание “тёмная материя”, или если быть точнее “dunkle Materie”, было введено Цвикки ещё в 30-е, это явление к 70-м годам было ещё довольно свежим. По сути эффект отсутствия видимой массы сводился к двум не особо связанным друг с другом космологическим явлениям (об этом я подробно писал тут.
С одной стороны были наблюдения разброса скоростей галактик в скоплениях, которыми ещё занимался Цвикки (получая неправильные результаты). Наблюдения показывали, что разброс скоростей в десятки раз выше “разрешаемого” разброса, если судить по видимой массе.
С другой стороны, в начале 70-х, после знаменитой статьи Рубин и Форд (1970) по скоростям вращения звёзд в Андромеде и грядущим после этого измерениям для других галактик, стало понятно, что где-то далеко от центра галактик звёзды вращаются слишком быстро, чтобы хоть как-то объяснить их движение видимой массой. Это наблюдалось поголовно везде, во всех типах галактик, и в старых, и в новых.
Здесь стоит отметить, что эти два явления не особо рассматривались в одном контексте. Т.е., да, это были две проблемы очень схожие, но в головах большинства людей эти 2 проблемы фигурировали в разных контекстах. Тогда уже люди с осторожностью произносили слова “тёмная материя”, но это был далеко не мэйнстрим.
Но что действительно сподвигло народ на то, чтобы-таки смириться с той мыслью, что тёмная материя - реальна и с этим надо считаться, так это совершенно не связанное с этими двумя пунктами явление.
Тогда в начале 70-х уже было известно про существование космического микроволнового фона, уже было понятно, что речь идёт о процессе рекомбинации: момент, когда электроны объединились с протонами, образовав атомы, и фотоны смогли свободно путешествовать в пространстве без рассеяния на свободных электронах. И тогда же люди отлично знали модель Фридмана, что мы живём в материально-доминирующей Вселенной (пространство расширяется как $$t^{2/3}$$), и что рекомбинация произошла примерно на красном смещении $$z\sim 1100$$ (но с $$\Omega=0.2$$, если вы понимаете о чём я).
Тогда же начали появляться первые теории образования галактик и кластеров от роста первоначальных флуктуаций. В частности ребята типа Пиблса нашли, что на сегодняшний день (т.е. $$z=0$$) на масштабах примерно 8 Мпк (на самом деле $$8h^{-1}$$, где $$h=H/100$$, но это если вы нёрд) флуктуации плотности материи равны примерно единице (это значение иногда записывается как $$sigma_8$$ во всяких космологических каталогах). Т.е. для таких флуктуации можно применять линейный анализ и экстраполировать назад (в момент рекомбинации), чтобы найти флуктуации тогда.
Нехитрый анализ показал (флуктуации растут со временем как масштабный фактор, т.е. обратно пропорционально $$z$$), что в момент рекомбинации флуктуации должны быть порядка $$10^{-3}\text{-}10^{-4}$$ (с учётом различных эффектов). Те же результаты получили Зельдович с Сюняевым и Дорошкевичем. Второй нехитрый мысленный анализ состоит в том, чтобы понять, что флуктуации барионов (любая видимая материя типа звёзд, газа и пыли) в момент рекомбинации должны быть такими же как и флуктуации плотности фотонов: до рекомбинации эти две субстанции были плотно связаны.
Флуктуации фотонов, с другой стороны, от времени не зависят, поэтому посмотрев на CMB, фактически, фотографию “момента” рекомбинации, мы должны увидеть флуктуации фотонов того же порядка, что и флуктуации барионов, т.е. порядка $$10^{-3}\text{-}10^{-4}$$.
В 83-м в космос запустили советский аппарат РЕЛИКТ-1. Аппарат нашёл дипольный момент анизотропии (из-за движения Солнечной Системы)[1] на уровне $$10^{-3}$$ и поставил верхнюю границу на флуктуации - $$10^{-4}$$. Если флуткуации CMB были, то они были на уровне $$<10^{-4}$$[2].
Примерно в конце 70-х начале 80-х и стало понятно, что барионы не могли так быстро сами по себе нарастить такую плотность как сегодня, чтобы образовать галактики и скопления. Нужна была ещё одна компонента, которая бы взаимодействовала гравитационно, но не была бы связана с фотонами. Это по сути было последней каплей в чаше уверенности в том, что о тёмной материи стоит говорить всерьёз не только в кулуарах конференций, но и в учебниках.
[1] РЕЛИКТ-1 ещё поставил сильное ограничение на квадрупольный момент и нашёл “холодное пятно”, которое потом ещё на WMAP увидели. ↩
[2] Позже только в 90-х телескоп COBE нашёл флуктуации на уровне 1e-5 (картинка ниже). ↩
cd ~