Сегодня мы знаем, что галактики окружены гало из темной материи, которые в десять раз массивнее видимых галактических компонентов.
Вообще-то астрономы давно догадывались, что с балансом видимого и невидимого вещества в метагалактике не все в порядке. Ведь еще в 1933 году знаменитый открыватель скоплений галактик и нейтронных звезд Франц Цвикки предсказал возможность существовании во Вселенной некой «темной материи». Прошли десятилетия, и новые автоматические орбитальные обсерватории провели серию наблюдений обширной группы галактик. При этом были обнаружены своеобразные короны, хорошо видимые в рентгеновском диапазоне, которые окружали все эллиптические галактики. Звездная масса этих уникальных галактических образований оказалась сравнимой со звездной массой всей нашей галактики, составляя величину, превышающую сто миллиардов солнечных масс. Тут и выявился удивительный факт: оказалось, что источники рентгеновского излучения галактических корон не могут удержаться возле галактик, ведь суммарной массы всех их звезд явно недостаточно. Пришлось предположить, что в эллиптических галактиках на периферии есть невидимое вещество, масса которого в десять раз превышает массу звездной галактики.
Исходным пунктом стали оценки масс различных галактик. Эти оценки астрофизики делают двумя способами. Можно оценить суммарную массу составляющих галактику звезд, добавить массу газовых и пылевых облаков, предполагаемых черных дыр и остатков потухших звезд определенного класса – темных карликов. Другой способ состоит в измерении силы притяжения галактик путем исследования скорости движения звезд или газовых облаков на ее периферии. К удивлению исследователей, выявилось влияние таинственной гравитации, в десять раз превышающей притяжение известных небесных тел! Это было тем более поразительно, что раньше никаких видимых или регистрируемых другими способами проявлений таинственной тяготеющей субстанции на периферии галактик не обнаруживали.
Открытие темной материи и особенно темной энергии заставили во многом пересмотреть старую версию стандартной космологической модели Вселенной, описывающей широкий круг явлений в рамках хорошо разработанной и обоснованной модели горячей Вселенной, ведущей начало с самых первых моментов космологической сингулярности Большого взрыва. Согласно новой модели мироздания, оно в целом состоит их трех основных материальных компонентов: барионного, который описывается общепринятой моделью элементарных частиц; темной материи скрытой массы, представляющей неизвестные слабовзаимодействующие массивные частицы, и темной энергии, судя по всему, как-то связанной со структурой физического вакуума. К глубокому сожалению, приходится констатировать, что ничего определенного о физической природе последней (и самой важной) компоненты Вселенной мы не знаем.
При этом на долю барионов приходится всего лишь около четырех процентов всей массы метагалактики, темная материя составляет примерно четверть, а основная доля приходится на загадочную темную энергию, обнаруживающую себя только парадоксальным «антигравитационным» действием, заставляющим Вселенную ускоренно расширяться. Эта «фоновая энергия мироздания», судя по всему, распределена равномерно – во всяком случае, никаких неоднородностей расширения пространства ни в галактических, ни в метагалактических масштабах зафиксировано не было.
Представление о темной энергии связано с наблюдениями за сверхновыми звездами, которые время от времени ярко вспыхивают на небосклоне и затем довольно быстро тускнеют. Благодаря их уникальным свойствам эти звезды используют в качестве своеобразных меток для определения того, как космологические расстояния изменяются со временем. Так вот, в самом конце прошлого века астрофизики обнаружили, что самые далекие сверхновые светят не так ярко, как это ожидалось, исходя из того, что Вселенная заполнена обычной материей, подчиняющейся закону тяготения Ньютона. Это означало, что они расположены от нас дальше, чем должны были бы находиться, если бы Вселенная расширялась в поле обычных гравитационных сил. Таким образом, у астрономов появилась возможность утверждать, что во Вселенной должна быть еще какая-то дополнительная энергия, способная на космических расстояниях противостоять гравитационному притяжению материи. Она и есть то, что стали понимать под словами «темная энергия».
С тех пор было получено множество новых свидетельств в пользу данного утверждения – как в ходе дальнейших и более надежных наблюдений за сверхновыми, так и в результате ряда других исследований. Таковыми были, прежде всего, детальные измерения энергетического спектра реликтового излучения в наземных лабораториях и со спутников. Откуда же все-таки берется эта темная энергия? Вразумительного ответа на этот вопрос пока нет, но обычно его пытаются найти, комбинируя различными способами уравнения общей теории относительности с уравнениями состояния вещества. По существу, именно это соображение положено в основу инфляционной модели, утверждающей, что в очень ранней Вселенной абсолютно доминировала огромная (положительная!) энергия вакуума, который по этой причине стремительно раздувался, а вещество появилось лишь позднее.
Дело в том, что величина космологической константы, необходимая для объяснения наблюдаемых размеров Вселенной с помощью инфляционной модели, настолько велика, что сейчас темная энергия должна была бы превышать энергию, связанную с обычной материей, примерно на 120 порядков! А между тем она, как уже упоминалось, хотя и больше, но все-таки имеет тот же порядок величины.
В результате фазового перехода с перестройкой вакуума, который, почти несомненно, произошел в ранней Вселенной, космологическая константа могла измениться (и наверняка изменилась), но все же пока совершенно непонятно, как и почему произошла столь «тонкая настройка», что она уменьшилась именно на 120 порядков. Правда, если бы все случилось иначе, то сейчас просто некому было бы задаваться подобными вопросами.
Любопытно, что недавно была предложена новая модель строения темной материи, из которой следует существование совершенно поразительных объектов, возможно, составляющих значительная часть Вселенной. Так, физики-теоретики предложили гипотезу парадоксальных «темных шаров» диаметром в несколько десятков сантиметров и массой в сотни миллионов тонн, которые могут располагаться в сердцевине звезд. Такие очень странные космические объекты могли бы возникнуть в первые секунды Большого взрыва. Ведь согласно сценарию Большого взрыва именно в этот момент могли появиться две разновидности вакуума, в равной степени способные вмещать материю. Области пространства, соответствующие вакуумам различного типа, оказались разделены особыми доменными стенками, которые затем «свернулись», захватив некоторое количество протонов и нейтронов. Из них при сжатии «шаров» образовывались легкие ядра, которые, в свою очередь, вступали в реакции термоядерного синтеза. За счет выделившейся энергии некоторые ядра смогли покинуть «альтернативный вакуум» и стать привычным нам веществом (физики называют его «барионной материей»).
Физики считают, что часть «темных шаров» до сих пор находится внутри звезд. Подобные артефакты Большого взрыва, по идее, могли бы обмениваться с ними веществом и энергией, но их совместное существование может закончиться взрывом сверхновой. Кроме того, изолированные шары вне звезд также неустойчивы и могут стать причиной рентгеновского и гамма-излучения, источники которого астрономы не в состоянии найти, предлагая при этом совершенно фантастические гипотезы, вплоть до взрывов торпед инопланетян, ведущих звездные войны.
