Для ученых очень неуютно сознавать такую огромную меру незнания. Новые достижения астрономии и физики свидетельствуют об их яростной атаке на проблему скрытой массы. И теоретики, и наблюдатели изобретают остроумные гипотезы и хитроумные эксперименты, чтобы прояснить, что же это такое "скрытая масса". К середине 90-х годов нашего столетия в этой животрепещущей проблеме наметился ощутимый прогресс.

1. Наблюдательные свидетельства скрытой массы во Вселенной

Первые упоминания о возможном наличии скрытой массы относятся еще к началу 40-х годов нашего столетия. Связаны они с изучением вращения нашей и других галактик, а также с исследованием скоростей галактик в скоплениях. Наблюдая распределение звезд, газа и пыли в галактиках, можно судить о распределении массы видимой материи в них, используя, например, хорошо известную зависимость масса-светимость для звезд. Этому распределению массы можно поставить в соответствие вполне определенный закон вращения звезд и газа в галактике. В частности, если звезды вращаются вокруг центра галактики по круговым орбитам (что является разумным предположением), а основная часть звезд сосредоточена в объеме радиусом r₀, то звезды за пределами этого объема должны вращаться вокруг центра галактики в соответствии с законом Кеплера, определяемым равенством силы гравитационного притяжения и центростремительной силы:

Из уравнения (1) следует, что при отсутствии скрытой массы на достаточно больших расстояниях от центра галактики скорости вращения звезд и газа должны убывать при удалении от центра пропорционально квадратному корню из расстояния. В подавляющем большинстве случаев, в том числе и для нашей Галактики, этот закон вращения не соблюдается, причем всегда скорость вращения наблюдаемых звезд и газа в галактиках убывает гораздо медленнее с расстоянием, чем по закону r^-1/2, а во многих случаях скорость не зависит от расстояния при удалении на многие десятки килопарсек от центра галактики. Вывод из этого наблюдательного факта может быть только один (если, конечно, не отказываться от фундаментальных законов физики): наблюдаемые звезды и газ в галактиках погружены в протяженную массивную среду с размерами много больше, чем характерные размеры видимой области галактики. Иными словами, уравнение (1) для всей видимой части галактики неприменимо, поскольку величина радиуса r₀ больше размеров видимой галактики. Анализ отклонений законов распределения скоростей вращения в галактиках от закона r^-1/2 приводит к выводу о том, что в скрытой, ненаблюдаемой форме находится свыше 90 % всей массы.

Другое свидетельство существования скрытой массы следует из изучения скоростей движения галактик как целого в галактических скоплениях. В физике хорошо известна теорема вириала, утверждающая, что для стационарной гравитирующей системы сумма полной потенциальной энергии U и удвоенной полной кинетической энергии E_k должна равняться нулю:

В случае квазисферического скопления гравитационная потенциальная энергия скопления галактик U по порядку величины составляет GM ²/R (M – полная масса скопления, R – его радиус), а полная средняя кинетическая энергия поступательного движения галактик в скоплении E_k =0,5M‹V ²› (‹V ²› – среднее значение квадрата скорости галактик в системе покоя скопления), из формулы (2) следует

Если из наблюдений известны ‹V ²› и R (а для многих скоплений их можно определить), то по формуле (3) можно оценить массу скопления галактик. Определенную таким способом массу принято называть динамической или вириальной массой скопления. Оказалось, что для большинства скоплений галактик динамическая масса в десятки раз превосходит видимую массу скопления, определенную прямым суммированием масс наблюдаемых галактик скопления, оцененных по зависимости масса-светимость. Таким образом, вывод о том, что свыше 90 % материи находится в скрытой, ненаблюдаемой форме, подтверждается независимыми исследованиями движений галактик в скоплениях: галактики здесь двигаются много быстрее ( V≥1000 км/с), чем это следует из оценки массы видимого вещества скопления. О наличии скрытой массы свидетельствует также обнаружение горячего (T=(3-10)·10⁷ К, n_e >0,001 см^-3) газа в скоплениях галактик, эффекты гравитационного линзирования далеких галактик и квазаров более близкими скоплениями галактик (см. статью Л.М. Ерухимова "Космические линзы и их роль в исследовании Вселенной" в этом томе) и некоторые другие наблюдательные данные. Ряд теоретических проблем (например, проблема формирования крупномасштабной структуры Вселенной, космологические проблемы, связанные с объяснением недавно открытых пространственных флуктуаций реликтового микроволнового фона и т. п.) также требуют для своего решения привлечения скрытой массы.

Таким образом, вопрос о природе скрытой массы во Вселенной в настоящее время назрел. Существует ряд гипотез о носителях скрытой массы. Прежде всего ясно, что скрытая масса – это не газ. Оценки массы горячего ионизованного газа в скоплениях галактик по его рентгеновскому излучению дают значение около 10 % от динамической массы скоплений, то есть масса горячего газа того же порядка, что и наблюдаемая масса, заключенная в галактиках. Оценки массы нейтрального водорода в галактиках, выполненные радиоастрономическими методами по наблюдениям на длине волны 21 см, также отвергают газ как носитель скрытой массы. В настоящее время в качестве носителей скрытой массы рассматриваются два класса объектов. Первый класс предсказывается теорией эволюции звезд и представляет собой небесные тела, состоящие в основном из барионной формы материи (барионы – это сильно взаимодействующие элементарные частицы с полуцелым спином – нейтроны, протоны и т. п.). Он называется MACHO (Massive Astrophysical Compact Halo Objects – Массивные астрофизические компактные объекты гало). Этот класс объектов включает маломассивные и потому слабо светящиеся звезды – коричневые карлики (это звезды с массой менее 0,08M_ʘ, в недрах которых никогда не зажигаются термоядерные реакции), белые карлики, планеты с массами от 0,00001 до 0,001M_ʘ , нейтронные звезды в неактивной стадии (без феномена пульсара), черные дыры.

Второй класс объектов подсказан теорией образования Вселенной (инфляционная стадия и горячая стадия – Большой Взрыв), которая предсказывает рождение на ранних стадиях образования Вселенной очень слабо взаимодействующих элементарных частиц с неравной нулю массой покоя (их называют вимпсы, WIMPs – Weakly Interacting Massive Particles – или СВМ-частицы – слабо взаимодействующие массивные частицы). К этому классу могут принадлежать нейтрино, нейтралино, фотино, гравитино, аксионы и т. п. Важно отметить, что, как следует из теории нуклеосинтеза на ранних стадиях образования Вселенной, доля средней плотности барионной компоненты (MACHO) вещества во Вселенной по отношению к средней плотности небарионной (WIMPs) составляет всего ~0,07. В то же время доля средней плотности видимого вещества по отношению к полной средней плотности Вселенной составляет лишь ~0,003-0,007.

Среди этого списка претендентов на носителей скрытой массы есть более или менее предпочтительные объекты, однако окончательный ответ на вопрос о том, из чего состоит скрытая масса, должны дать наблюдения.

2. Как наблюдать скрытую массу

Для наблюдений скрытой массы используется тот факт, что она обладает гравитационным полем, в котором, как известно из общей теории относительности (ОТО), путь лучей света искривляется. Эффект искривления пути лучей света далекой звезды в гравитационном поле Солнца давно известен и на краю Солнца составляет ~1″,75. Искривление лучей света в гравитационном поле аналогично действию линзы на световые лучи. Поэтому возникло понятие гравитационной линзы – гравитирующего объекта, создающего в результате искривления лучей света изображения (дýхи) далекого объекта (квазара, галактики). Важно отметить, что при этом блеск дýхов может быть много больше блеска самой линзируемой галактики. Известны десятки дýхов далеких галактик и квазаров, которые появились в результате гравитационного линзирования их света более близкими галактиками или скоплениями галактик. Например, хорошо известный двойной квазар QSО 0957+561, открытый в 1979 году американскими учеными Д. Вэлшем, Р. Касвеллом и Р. Вейманном. Особенно впечатляющи полученные недавно на космическом телескопе им. Хаббла изображения скоплений далеких галактик, имеющих вид концентрических дуг, сформированных в результате гравитационного линзирования их света более близкими скоплениями галактик. Решая обратную задачу, то есть исследуя дýхи скоплений галактик, можно восстановить их истинные изображения и даже оценить распределение массы в гравитационной линзе – скоплении галактик. Именно из таких исследований получается дополнительный вывод о необходимости существования скрытой массы в скоплениях галактик. Таким образом, явления гравитационных линз уже хорошо известны в мире галактик и квазаров. Необходимо отметить, что о большом значении для науки эффекта гравитационной линзы писал еще А. Эйнштейн в 1936 году и в 60-х годах российские ученые П.В. Блиох и А.А. Минаков, А.В. Бялко, а также американец С. Либс, норвежец С. Рефсдал и другие ученые.

Польский ученый Б. Пачинский, работающий в США, в 1986 году высказал замечательную идею использовать для выявления носителей скрытой массы эффект гравитационного микролинзирования звезд ближайших галактик темными телами нашей Галактики. Микролинзирование звезд отличается от линзирования далеких галактик тем, что здесь невозможно раздельно наблюдать дýхи, так как их угловое разделение очень мало (не более 0″,001). Однако при микролинзировании можно наблюдать изменение блеска линзируемой звезды, вызванное относительным перемещением звезды, линзы и наблюдателя. Б. Пачинский, проанализировав кривую вращения (так называют зависимость скорости вращения звезд V от их расстояния до центра галактики r) V(r) нашей Галактики, высказал гипотезу, что Галактика обладает сферической подсистемой (гало), которая может быть заполнена несветящимися телами MACHO с массами от 10^-8 до 100M_ʘ – нейтронными звездами, черными дырами, коричневыми карликами и космическими телами вплоть до тел с массой Юпитера и меньше. Число этих темных тел в гало Галактики, согласно оценке Б. Пачинского, должно быть весьма велико, так что вероятность того, что звезда ближайшей галактики (например, Большого Магелланового Облака – БМО) почти точно спроектируется на темное тело, составляет около 10^-6. Эта вероятность формально мала, однако, если наблюдать одновременно миллионы звезд БМО с помощью панорамных приемников излучения (фотопластинка, ПЗС-матрица), можно надеяться достаточно часто регистрировать вспышки звезд, обусловленные эффектом микролинзирования. По длительности и частоте таких событий можно судить о вкладе темных тел гало Галактики в полную массу невидимого вещества. Эта наблюдательная задача была поставлена Б. Пачинским, и ее решение рядом групп привело в последние годы к определению параметров конкретных темных тел гало Галактики.

3. Микролинзирование

Прежде чем обсуждать новые наблюдательные результаты, рассмотрим основные принципы создания изображений в гравитационной линзе – теле со сферически-симметричным распределением массы. На рис. 1,а буквой D обозначена гравитационная линза (или, как ее еще называют, дефлектор), буквой S – исследуемая звезда фона, буквой O отмечено положение наблюдателя. Угол между направлением на дефлектор и истинное положение звезды S обозначим θ, угол между направлением на дефлектор и дух (I₁ или I₂) соответственно θ₁⁽¹⁾ или θ₁⁽²⁾. В проекции на картинную плоскость изображение картины линзирования представлено на рис. 1,б. Здесь D – дефлектор, S – звезда, I₁ и I₂ – дýхи, то есть изображения звезды S, образованные вследствие искривления лучей света от нее в поле тяжести дефлектора D. Два луча, прошедшие по разные стороны от тяготеющего тела D, будут отклонены от первоначальных направлений. Если звезда S находится достаточно далеко от дефлектора D, то лучи начнут сходиться и пересекутся в некоторой удаленной точке O, где находится наблюдатель. Угол отклонения луча света звезды S в гравитационном поле дефлектора (в радианах) равен 2r_g/r – удвоенному отношению величины гравитационного радиуса

Рис. 1. а – искривление лучей света далекой звезды S в гравитационном поле точечной массы D . Указаны характерные углы (см. текст); б – расположение дефлектора D, звезды S и "духов" I1 и I2 на картинной плоскости. Здесь θ0 – угол раствора конуса Эйнштейна