Astronet > Gravitacionnoe mikrolinzirovanie i problema skrytoi massy

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Gravitacionnoe mikrolinzirovanie i problema skrytoi massy

A.M.ChEREPAShUK

Moskovskii gosudarstvennyi universitet im. M.V. Lomonosova

Gosudarstvennyi astronomicheskii institut im. P.K. Shternberga, Moskva

Svyshe 90% massy Vselennoi nahoditsya v skrytoi, nenablyudaemoi forme. Obnaruzhit' nositelei etoi skrytoi massy mozhno po gravitacionnomu mikrolinzirovaniyu, kogda v rezul'tate iskrivleniya luchei sveta dalekoi zvezdy v gravitacionnom pole temnogo tela blesk zvezdy sil'no vozrastaet. Chislo takih sobytii mikrolinzirovaniya, kotorye udalos' nablyudat', prevyshaet 50.

Vvedenie

Do poslednego vremeni bylo ochevidno, chto o 9/10 materii vo Vselennoi my nichego ne znaem, poskol'ku ona, krome gravitacionnogo vzaimodeistviya, nikak ne proyavlyaet sebya. Vsevozrastayushee chislo nablyudatel'nyh dannyh svidetel'stvovalo o tom, chto kakaya-to zagadochnaya temnaya materiya, ot kotoroi my ne registriruem nikakih izluchenii, zapolnyaet Vselennuyu i opredelyaet dvizhenie tel. V nauke byli sluchai, kogda astronomicheskie nablyudeniya operezhali laboratornye issledovaniya. Naprimer, izvestnyi himicheskii element gelii vpervye byl obnaruzhen v spektre Solnca po harakternym liniyam poglosheniya i lish' zatem v zemnyh laboratoriyah. No gelii sostavlyaet lish' okolo 25% po masse ot nablyudaemogo veshestva vo Vselennoi. Seichas zhe astronomiya utverzhdaet, chto nenablyudaemaya forma materii (nazyvaemaya skrytoi massoi) sostavlyaet svyshe 90% vsei massy vo Vselennoi, a ta materiya, kotoruyu my nablyudaem, - eto vsego lish' malaya dobavka (menee 10%). Uchenym ochen' neuyutno soznavat' takuyu ogromnuyu meru neznaniya, poetomu seichas my yavlyaemsya svidetelyami yarostnoi ataki na problemu skrytoi massy. I teoretiki i nablyudateli izobretayut ostroumnye gipotezy i hitroumnye eksperimenty, chtoby proyasnit', chto zhe eto takoe skrytaya massa. I kazhetsya, za poslednie 2-3 goda v etoi zhivotrepeshushei probleme nametilsya oshutimyi progress. O rezul'tatah noveishih nablyudatel'nyh issledovanii prirody skrytoi massy my i hotim rasskazat' v nashei stat'e.

Nablyudatel'nye svidetel'stva skrytoi massy vo vselennoi

Pervye upominaniya o vozmozhnom nalichii skrytoi massy otnosyatsya eshe k nachalu 40-h godov nashego stoletiya. Svyazany oni s izucheniem vrasheniya nashei i drugih galaktik, a takzhe s issledovaniem skorostei galaktik v skopleniyah. Nablyudaya raspredelenie zvezd, gaza i pyli v galaktikah, mozhno sudit' o raspredelenii massy vidimoi materii v nih, ispol'zuya, naprimer, horosho izvestnuyu zavisimost' massa-svetimost' dlya zvezd. Etomu raspredeleniyu massy mozhno postavit' v sootvetstvie vpolne opredelennyi zakon vrasheniya zvezd i gaza v galaktike. V chastnosti, esli zvezdy vrashayutsya vokrug centra galaktiki po krugovym orbitam (chto yavlyaetsya razumnym predpolozheniem), a osnovnaya chast' zvezd sosredotochena v ob'eme radiusom r₀ , to zvezdy za predelami etogo ob'ema dolzhny vrashat'sya vokrug centra galaktiki po keplerovskomu zakonu, opredelyaemomu ravenstvom sily gravitacionnogo prityazheniya i centrostremitel'noi sily:

$\frac{GM(r_{0})m}{r^{2}}={mV^{2}}{r}\,,$

(1)

gde M(r₀) - massa central'noi chasti galaktiki, G - gravitacionnaya postoyannaya, m i V - sootvetstvenno massa i skorost' zvezdy.

Iz uravneniya (1) sleduet, chto pri otsutstvii skrytoi massy na dostatochno bol'shih rasstoyaniyah ot centra galaktiki skorost' vrasheniya zvezd i gaza dolzhna podchinyat'sya zakonu

V(r) ~ r^-1/2,

(2)

to est' ubyvat' s rasstoyaniem ot centra obratno proporcional'no kvadratnomu kornyu iz rasstoyaniya. V podavlyayushem bol'shinstve sluchaev, v tom chisle i dlya nashei Galaktiki, zakon vrasheniya(2) ne soblyudaetsya, prichem vsegda skorost' vrasheniya nablyudaemyh zvezd i gaza v galaktikah ubyvaet gorazdo medlennee s rasstoyaniem, chem po zakonu $1/\sqrt{r}$ , a vo mnogih sluchayah V(r) = const dlya rasstoyanii vo mnogie desyatki kiloparsek ot centra galaktiki. Vyvod iz takogo nablyudatel'nogo fakta mozhet byt' tol'ko odin (esli, konechno, ne otkazyvat'sya ot fundamental'nyh zakonov fiziki): nablyudaemye zvezdy i gaz v galaktikah pogruzheny v protyazhennuyu massivnuyu sredu s razmerami mnogo bol'she, chem harakternye razmery vidimoi oblasti galaktiki. Inymi slovami, uravnenie (1) dlya vsei vidimoi chasti galaktiki neprimenimo, poskol'ku velichina radiusa r₀ bol'she razmerov vidimoi galaktiki. Analiz otklonenii zakonov raspredeleniya skorostei vrasheniya v galaktikah ot zakona $1/\sqrt{r}$ privodit k vyvodu o tom, chto v skrytoi, nenablyudaemoi forme nahoditsya svyshe 90% vsei massy (!).

Vtoroe svidetel'stvo sushestvovaniya skrytoi massy sleduet iz izucheniya skorostei dvizheniya galaktik kak celogo v galakticheskih skopleniyah. V fizike horosho izvestna teorema viriala, utverzhdayushaya, chto dlya stacionarnoi gravitiruyushei sistemy summa polnoi potencial'noi energii U i udvoennoi polnoi kineticheskoi energii E_k dolzhna ravnyat'sya nulyu:

U + 2E_k = 0.

(3)

Poskol'ku v sluchae kvazisfericheskogo skopleniya gravitacionnaya potencial'naya energiya skopleniya galaktik U po poryadku velichiny sostavlyaet - GM² / R (M - polnaya massa skopleniya, R - ego radius), a polnaya srednyaya kineticheskaya energiya postupatel'nogo dvizheniya galaktik v skoplenii $E_{k}=M\overline{\upsilon^{2}}/2$ ( $\overline{\upsilon^{2}}$ - srednee znachenie kvadrata skorosti galaktik v sisteme pokoya skopleniya), to iz formuly (3) sleduet

$M \approx \frac{\overline{\upsilon^{2}} R}{G}$

(4)

Esli iz nablyudenii izvestny $\overline{\upsilon^{2}}$ i R (a dlya mnogih skoplenii ih mozhno opredelit'), to po formule (4) mozhno ocenit' massu skopleniya galaktik, kotoruyu prinyato nazyvat' dinamicheskoi ili virial'noi massoi skopleniya. Okazalos', chto dlya bol'shinstva skoplenii galaktik dinamicheskaya massa, ocenennaya po formule (4), v desyatki raz (!) prevoshodit vidimuyu massu skopleniya, opredelennuyu pryamym podschetom nablyudaemyh galaktik skopleniya. Takim obrazom, vyvod o tom, chto svyshe 90% materii nahoditsya v skrytoi, nenablyudaemoi forme, podtverzhdaetsya nezavisimymi issledovaniyami dvizhenii galaktik v skopleniyah: galaktiki zdes' dvizhutsya slishkom bystro (V $\geq$ 1000 km/s), bystree, chem eto sleduet iz ocenki massy vidimogo veshestva skopleniya, kotoraya poluchaetsya summirovaniem mass galaktik, ocenennyh po zavisimosti massa-svetimost'. O nalichii skrytoi massy svidetel'stvuyut takzhe obnaruzhenie goryachego (T = (3-10) $\cdot$ 10⁷ K, n_e > 10^{- 3} sm^{- 3}) gaza v skopleniyah galaktik, effekty gravitacionnogo linzirovaniya dalekih galaktik i kvazarov bolee blizkimi skopleniyami galaktik i drugie nablyudatel'nye dannye. Nekotorye teoreticheskie problemy (naprimer, problema formirovaniya krupnomasshtabnoi struktury Vselennoi, kosmologicheskie problemy, svyazannye s ob'yasneniem otkrytyh nedavno prostranstvennyh fluktuacii reliktovogo mikrovolnovogo fona, i t.p.) takzhe trebuyut dlya svoego resheniya privlecheniya skrytoi massy.

Takim obrazom, vopros o prirode skrytoi massy vo Vselennoi nazrel ochen' ostro. Sushestvuyut gipotezy o nositelyah skrytoi massy. Prezhde vsego yasno, chto skrytaya massa - eto ne gaz. Ocenki massy goryachego ionizovannogo gaza v skopleniyah galaktik po ego rentgenovskomu izlucheniyu pokazyvayut, chto eta massa sostavlyaet vsego lish' okolo 10% dinamicheskoi massy skoplenii, to est' massa goryachego gaza togo zhe poryadka, chto i nablyudaemaya massa, zaklyuchennaya v galaktikah. Ocenki massy neitral'nogo vodoroda v galaktikah, vypolnennye radioastronomicheskimi metodami po nablyudeniyam v linii 21 sm, takzhe otvergayut gaz kak nositel' skrytoi massy. V nastoyashee vremya v kachestve nositelei skrytoi massy rassmatrivayutsya dva klassa ob'ektov. Pervyi klass predskazyvaetsya teoriei evolyucii zvezd i predstavlyaet soboi nebesnye tela, sostoyashie v osnovnom iz barionnoi formy materii (sil'no vzaimodeistvuyushih elementarnyh chastic s polucelym spinom - neitronov, protonov i t.p.), i nazyvaetsya MASNO (Massive Astrophysical Compact Halo Objects). Etot klass ob'ektov vklyuchaet v sebya malomassivnye ( $M < 0,1M_{\odot}$ ) i potomu slabo svetyashiesya zvezdy, tak nazyvaemye korichnevye karliki (zvezdy s massoi menee 0,08 , v $M_{\odot}$ nedrah kotoryh nikogda ne zazhigayutsya termoyadernye reakcii), belye karliki, planety s massami ot 10^{- 5} do 10^{- 3} $M_{\odot}$ , neitronnye zvezdy v neaktivnoi stadii (bez fenomena pul'sara), chernye dyry.

Vtoroi klass ob'ektov predskazyvaetsya teoriei obrazovaniya Vselennoi (inflyacionnaya stadiya i goryachaya stadiya - Bol'shoi vzryv), kotoraya predskazyvaet rozhdenie na rannih stadiyah obrazovaniya Vselennoi ochen' slabo vzaimodeistvuyushih elementarnyh chastic s neravnoi nulyu massoi pokoya, tak nazyvaemyh WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). K etomu klassu mogut prinadlezhat' neitrino, neitralino, fotino, gravitino, aksiony, kosmicheskie struny i t.p. Vazhno otmetit', chto, kak sleduet iz teorii nukleosinteza na rannih stadiyah obrazovaniya Vselennoi, dolya srednei plotnosti barionnoi komponenty veshestva vo Vselennoi po otnosheniyu k srednei plotnosti nebarionnoi (WIMPs) sostavlyaet vsego ~ 0,04. V to zhe vremya dolya srednei plotnosti vidimogo veshestva po otnosheniyu k polnoi srednei plotnosti Vselennoi dolzhna sostavlyat' lish' ~ 0,002.

Sredi etogo spiska pretendentov na nositelei skrytoi massy est' bolee ili menee predpochtitel'nye ob'ekty, odnako okonchatel'nyi otvet na vopros o tom, iz chego sostoit skrytaya massa, dolzhny dat' nablyudeniya. No kak nablyudat' nevidimuyu, skrytuyu materiyu? Okazyvaetsya, shedraya priroda, postavlyaya nam trudnye zadachi, v to zhe vremya daet i shansy dlya ih resheniya.

Kak nablyudat' skrytuyu massu?

Dlya nablyudenii skrytoi massy ispol'zuetsya tot fakt, chto ona obladaet gravitacionnym polem, v kotorom, kak izvestno iz obshei teorii otnositel'nosti (OTO), put' luchei sveta iskrivlyaetsya. Effekt iskrivleniya puti luchei sveta dalekoi zvezdy v gravitacionnom pole Solnca davno izvesten i na krayu Solnca sostavlyaet ~1,"75.Iskrivlenie luchei sveta v gravitacionnom pole analogichno deistviyu linzy na svetovye luchi. Poetomu vozniklo ponyatie gravitacionnoi linzy - gravitiruyushego ob'ekta, sozdayushego putem iskrivleniya luchei sveta izobrazheniya ("duhi") dalekogo ob'ekta (kvazara, galaktiki). Vazhno otmetit', chto pri etom blesk "duhov" mozhet byt' mnogo bol'she bleska samoi linziruemoi galaktiki. Izvestny desyatki "duhov" dalekih galaktik i kvazarov, kotorye obrazovalis' v rezul'tate gravitacionnogo linzirovaniya ih sveta bolee blizkimi galaktikami ili skopleniyami galaktik. Naprimer, horosho izvestnyi dvoinoi kvazar QSO 0957+561, otkrytyi v 1979 godu amerikanskimi uchenymi D. Velshem, R.F. Kasvellom i R.Dzh. Veimannom. Osobenno vpechatlyayushi poluchennye nedavno na kosmicheskom teleskope im. Habbla izobrazheniya skoplenii dalekih galaktik, imeyushih vid koncentricheskih dug i sformirovannyh v rezul'tate gravitacionnogo linzirovaniya ih sveta bolee blizkimi skopleniyami galaktik. Reshaya obratnuyu zadachu mozhno, issleduya "duhi" skoplenii galaktik, vosstanovit' ih istinnye izobrazheniya i dazhe ocenit' raspredelenie massy v gravitacionnoi linze - skoplenii galaktik. Imenno pri takih issledovaniyah poluchaetsya dopolnitel'nyi vyvod o neobhodimosti sushestvovaniya skrytoi massy v skopleniyah galaktik. Takim obrazom, yavleniya gravitacionnyh linz uzhe horosho izvestny v mire galaktik i kvazarov (ris. 1). Neobhodimo otmetit', chto o bol'shom znachenii dlya nauki effekta gravitacionnoi linzy pisal eshe v 1936 godu A. Einshtein i v 60-h godah rossiiskie uchenye P.V. Blioh i A.A. Minakov, A.V. Byalko, a takzhe amerikanec S. Libs, norvezhec S. Refsdal i dr.

Ris. 1.Izobrazhenie Kresta Einshteina - chetyreh "duhov" dalekoi galaktiki, obrazovannyh v rezul'tate ee gravitacionnogo linzirovaniya bolee blizkoi galaktikoi s nesfericheski-simmetrichnym raspredeleniem massy. Izobrazhenie polucheno sotrudnikami GAISh MGU s pomosh'yu PZS-priemnika izlucheniya, ustanovlennogo v fokuse 1,5-m teleskopa AZT-22 Vysokogornoi Maidanakskoi observatorii v Uzbekistane. Uglovoi razmer kazhdoi iz komponent Kresta Einshteina menee

Pol'skii uchenyi B. Pachinskii, rabotayushii v SShA, v 1986 godu vyskazal zamechatel'nuyu ideyu ispol'zovat' dlya vyyavleniya nositelei skrytoi massy effekt gravitacionnogo mikrolinzirovaniya zvezd blizhaishih galaktik temnymi telami nashei Galaktiki. Mikrolinzirovanie zvezd otlichaetsya ot linzirovaniya dalekih galaktik tem, chto nevozmozhno razdel'no nablyudat' "duhi", tak kak ih uglovoe razdelenie ochen' malo (poryadka 0,"001).Odnako pri mikrolinzirovanii mozhno nablyudat' izmenenie bleska linziruemoi zvezdy, vyzvannoe otnositel'nym peremesheniem zvezdy, linzy i nablyudatelya. B. Pachinskii, proanalizirovav krivuyu vrasheniya V(r) nashei Galaktiki, vyskazal gipotezu, chto Galaktika obladaet sfericheskoi podsistemoi (galo), kotoraya mozhet byt' zapolnena nesvetyashimisya telami MACHO s massami ot 10^{- 8} do 10² $M_{\odot}$ : neitronnymi zvezdami, chernymi dyrami, korichnevymi karlikami i kosmicheskimi telami vplot' do tel s massoi Yupitera i men'she. Chislo etih temnyh tel v galo Galaktiki, soglasno ocenke B. Pachinskogo, dolzhno byt' ves'ma veliko, tak chto veroyatnost' togo, chto zvezda blizhaishei galaktiki (naprimer, Bol'shogo Magellanova oblaka - BMO) pochti tochno sproektiruetsya na temnoe telo, sostavlyaet poryadka 10^{- 6}. Hotya eta veroyatnost' ves'ma mala, no esli nablyudat' odnovremenno milliony zvezd BMO s pomosh'yu panoramnyh priemnikov izlucheniya (fotoplastinka, PZS-matrica), to mozhno nadeyat'sya dostatochno chasto registrirovat' vspyshki zvezd, obuslovlennye effektom mikrolinzirovaniya. Po dlitel'nosti i chastote takih sobytii mozhno sudit' o vklade temnyh tel galo Galaktiki v polnuyu massu nevidimogo veshestva. Eta nablyudatel'naya zadacha byla postavlena B. Pachinskim, i ee reshenie neskol'kimi gruppami uchenyh privelo v poslednie gody k opredeleniyu parametrov konkretnyh temnyh tel galo Galaktiki.

Mikrolinzirovanie

Rassmotrim osnovnye principy sozdaniya izobrazhenii v gravitacionnoi linze - tele so sfericheski-simmetrichnym raspredeleniem massy. Na ris. 2a, bukvoi D oboznachena gravitacionnaya linza (ili, kak ee eshe nazyvayut, deflektor), S - zvezda fona, bukvoi O otmecheno polozhenie nablyudatelya. Ugol mezhdu napravleniem na deflektor i istinnoe polozhenie zvezdy S oboznachim cherez $\theta$ , ugol mezhdu napravleniem na deflektor i "duh" I₁ ili I₂ - cherez ili sootvetstvenno.

Ris. 2. a) - iskrivlenie luchei sveta dalekoi zvezdy S v gravitacionnom pole tochechnoi massy D. Ukazany harakternye ugly (sm. tekst); b) - raspolozhenie deflektora D, zvezdy S i "duhov" I₁ i I₂ na kartinnoi ploskosti. Zdes' $\theta_{0}$ - uglovoi radius konusa Einshteina

V proekcii na kartinnuyu ploskost' izobrazhenie kartiny linzirovaniya predstavleno na ris. 2b. Zdes' D - deflektor, S - zvezda,I⁽¹⁾₁ i I⁽²⁾₂- "duhi" - izobrazheniya zvezdy S, obrazovannye vsledstvie iskrivleniya luchei sveta ot zvezdy S v pole tyazhesti deflektora D. Dva lucha, proshedshie po raznye storony ot tyagoteyushego tela D, budut otkloneny ot pervonachal'nyh napravlenii. Esli zvezda S nahoditsya dostatochno daleko ot deflektora D, to luchi nachnut shodit'sya i peresekutsya v nekotoroi udalennoi tochke O, kuda pomeshen nablyudatel'. Ugol otkloneniya lucha sveta zvezdy S v gravitacionnom pole deflektora (v radianah) raven 2r_g / r - udvoennomu otnosheniyu velichiny gravitacionnogo radiusa deflektora r_g = 2GM / c² k pricel'nomu rasstoyaniyu r zvezdy S po otnosheniyu k centru deflektora. Iz geometricheskih soobrazhenii mozhno napisat' uravnenie, svyazyvayushee osnovnye ugly:

$\theta_{1}^{2} -\theta \theta_{1} - \theta_{0}^{2}=0\,.$

(5)

Zdes'