Астрономам приходится проявлять изобретательность, размышляя о том, сколько материи во Вселенной. В наши дни ученые ищут способ измерить массу темной материи, которая, как известно, существует во Вселенной. И параллельно предлагают новый способ «взвесить» Млечный Путь. Для чего это нужно? Чтобы понять эволюционный путь наблюдаемых нами галактик.
Астрономам приходится проявлять изобретательность, размышляя о том, сколько материи во Вселенной. Отдельную галактику нельзя поставить на промышленные весы (даже если бы была такая возможность, как считал Исаак Ньютон, для вычисления ее массы пришлось бы учитывать влияние земного притяжения). Есть классический способ определить количество материи в таком объекте как спутник планеты, планета или звезда. Надо измерить ее гравитационное взаимодействие с другими. В этих ранних расчетах соединяли ньютоновский закон всемирного тяготения и законы движения планет Иоганна Кеплера. Речь идет о соотношении орбитальной скорости планеты и расстояния до этого другого объекта.
Когда астрономы начали применять расчеты к галактикам, измеряя орбитальную скорость их звезд, результаты оказались странные. Внешне кажется, что большая часть массы галактики находится ближе к центру, а потому сосредоточенные в центре звезды должны вращаться по орбите быстрее тех, что расположены по краям. (Для сравнения можно использовать наши планеты. У Меркурия самая высокая орбитальная скорость – 172 332 километров в час, а у Нептуна самая низкая – 19 548 километров в час. Но это потому, что 99,9% массы нашей Солнечной системы сосредоточено в Солнце).
В 1970-х годах астроном Вера Рубин (Vera Rubin) и ее коллега Кент Форд (Kent Ford) вели наблюдения за галактикой Андромеды – ближайшей к нам большой галактики. Они сделали вывод, что приведенное выше предположение не соответствует реальному положению вещей. Звезды по краям этой галактики перемещались почти с такой же скоростью, что и в центре. Внешние звезды вращались по орбите настолько быстро, что их движение могло по идее разорвать галактику на части. Рубин на основании своих наблюдений сделала предположение о том, что там есть масса, которую мы не видим (темная материя), и она распределена по краям, чем и объясняется такое движение звезд. Невидимая материя создавала определенные трудности для измерения массы галактик.
Сейчас астрономам необходимо доработать свои методы, чтобы решать проблему с темной материей, которая, как известно, существует во Вселенной. Делая прошлой весной презентацию на конференции Американского астрономического общества, аспирант университета Аризоны Экта Пейтел (Ekta Patel) представила методику, которая может существенно повысить точность расчетов массы. Цель ее команды заключалась в том, чтобы решить проблемы с вычислением массы темной материи, а также выполнить уникальную задачу – измерить массу Млечного Пути.
В отличие от измерения, скажем, галактики Андромеды, которую мы видим почти целиком и очень подробно через мощные телескопы, в измерении нашей собственной Галактики мы практически бессильны, находясь на одном из ее спиральных рукавов.
«Представьте себе, как можно провести перепись населения США без интернета, и не покидая свой собственный город»,
— говорит Пейтел. Или как это – рассмотреть родинку на спине, не имея зеркала. Мы просто не рассмотрим ее как следует.
Вместо того чтобы размечать звезды Млечного Пути на разных расстояниях (эти данные трудно собрать, заглядывая за галактическое ядро), Пейтел с коллегами изучает крутящий момент галактик-спутников Млечного Пути, связанных с нашей силой гравитации (таких маленьких и известных нам на сегодня галактик около 50). Пейтел называет их «трассирующими объектами», потому что в своем движении они следуют по распределению массы в своей материнской галактике. Но движение по небу удивительно медленное.
«Эти перемещения настолько малы, что это подобно измерению роста волос у человека с расстояния как до Луны», — говорит Пейтел. Проводить такие измерения сегодня можно только благодаря космическим телескопам, потому что разрешение наземных измерительных приборов для такой работы недостаточно. А космические телескопы находятся на орбите достаточно долго, чтобы увидеть перемещения таких трассирующих объектов на больших расстояниях.
Космический телескоп «Хаббл» является на сегодня лучшей обсерваторией для сбора таких данных. Ученые, такие как Пейтел, пользуются результатами работы профильного коллектива, работающего в Институте космической телескопии в Балтиморе, штат Мэриленд. Этот институт занимается эксплуатацией «Хаббла», и его сотрудники измеряют даже невероятно малые перемещения галактик-спутников на небе.
Сначала коллектив Пейтел изучал перемещения девяти трассирующих объектов, чтобы рассчитать массу Млечного Пути, но сейчас ученые намерены усовершенствовать свои расчеты, включив в них данные наблюдений европейского телескопа «Гайя». Этот телескоп работает чуть более четырех лет, и недавно был опубликован второй набор данных. Этого достаточно, чтобы начать измерения перемещений, и теперь Пейтел может увеличить количество исследуемых трассирующих объектов Млечного Пути примерно до 30.
«К концу полета «Гайя», а это еще четыре или пять лет и несколько дополнительных наборов данных, собранные им данные будут такими же точными, как у «Хаббла», — говорит Пейтел. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» также сделает существенный вклад в эти наблюдения, когда в начале 2020-х годов начнет свою работу в космосе.
Команда Пейтел затем использует космологические модели формирования похожих на Млечный Путь материнских галактик и их скоплений галактик-спутников. Эти модели дают статистическую информацию о том, какой будет эволюционный путь наблюдаемых ими галактик. Используя эту новую методику, Пейтел с коллегами сузила предыдущие оценки массы Млечного Пути со значения 700 миллиардов – двух триллионов солнечных масс до 0,96 триллиона солнечных масс.
В силу того, что разброс значений по массе ранее был очень велик, на основе расчетов по массе невозможно было дать точных ответов. Сколько темной материи у Млечного Пути? Как развивалась эта галактика, как формировался ее нынешний вид? «Незнание значение массы мешало нам провести дополнительные связи между различными физическими вопросами о том, как эволюционируют галактики типа нашего Млечного Пути», — говорит Пейтел. Дело в том, что у любой задачи есть разные решения. Она также признает, что в ее заключении есть определенная погрешность. Поэтому ученые продолжат уточнять значение массы, наблюдая за трассирующими объектами.