Масса галактики: Какова масса всей галактики Млечный Путь? |

Содержание

Какова масса всей галактики Млечный Путь?

Астрономия

27.05.2020

1 384 2 минут чтения

Согласно последним измерениям, наша галактика весит примерно 1,5 триллиона солнечных масс. Это означает, что Млечный Путь имеет массу 2,98 x 10 ⁴² килограмма. Астрономы использовали наблюдения ESA Gaia и НАСА Хаббла, чтобы получить эту точную цифру.

Млечный путь — вторая по величине галактика в Местной группе: его звездный диск имеет ширину около 100 000 световых лет и толщину 1000 световых лет. Очевидно, что вы не можете поставить такую массивную структуру в масштабе, но исследователям НАСА удалось вычислить наиболее точную массу нашей галактики, используя космический телескоп Хаббла и спутник Gaia

Согласно предыдущим исследованиям, в которых использовался широкий спектр методов наблюдений, масса Млечного пути колеблется от 3 до 500 миллиардов солнечных масс.

Согласно последним измерениям, наша галактика весит примерно 1,5 триллиона солнечных масс (масса Солнца составляет 1,989 x 10 ³⁰ кг). Это означает, что Млечный Путь имеет массу 2,98 x 10 ⁴² килограмма.

Небольшая часть массы галактики состоит из около 200 миллиардов звезд и сверхмассивной черной дыры в ядре (которая имеет массу около 4,1 миллиона солнечных масс в пределах объема, радиус которого меньше 6,7 миллиарда километров).

Большая часть массы (почти 85%) Млечного Пути, по-видимому, является гипотетической формой материи, известной как темная материя. Она не взаимодействует с наблюдаемым электромагнитным излучением, но удерживает звезды в их галактиках.

Во Вселенной миллиарды галактик, массы которых колеблются от 1 миллиарда до 30 триллионов масс Солнца. Млечный Путь кажется вполне нормальным для галактики своей яркости.

Исследователи использовали Gaia ESA и Habble НАСА, чтобы исследовать трехмерное движение наборов сотен тысяч звезд, вращающихся вокруг центра галактики. Эти наборы также известны как шаровые звездные скопления.

Темная материя не может наблюдаться, но ее влияние на видимые небесные тела, такие как шаровые скопления, можно использовать для измерения ее массы. Команда проанализировала данные Хаббла и Гайи, чтобы измерить боковое движение шаровых скоплений, чтобы получить более точную скорость (чем массивнее галактика, тем быстрее движутся ее звезды под действием гравитационного ускорения).

Фундаментальная архитектура нашей галактики, содержащая шаровые звездные скопления | Предоставлено: НАСА, ЕКА.

Хаббл измеряет дальние, слабые звезды, в то время как Гайя фокусируется на близких звездах, чтобы создать точную 3D карту небесных объектов по всему Млечному Пути и проследить их движение.

В этом исследовании исследователи проанализировали измерения Хаббла для 12 шаровых скоплений на расстоянии 130 000 световых лет и измерения Гайя для 34 скоплений на расстоянии 65 000 световых лет. Затем они объединили эти наблюдения в качестве опорных точек, чтобы точно рассчитать массу Млечного пути на расстоянии 1 000 000 световых лет от Земли.

Некоторым самым ранним звездам в нашей галактике 13 миллиардов лет: они образовались через несколько сотен лет после Большого взрыва, когда в Млечном Пути не было спирального диска. Поскольку скопления таких звезд находятся на больших расстояниях, они могут помочь исследователям точно измерить количество темной материи, окружающей Млечный путь, далеко за пределами спирального диска звезд.

Полученные данные помогут астрономам более точно поместить нашу галактику в космологический контекст и сравнить ее с другими галактиками в развивающейся вселенной, а также ответить на множество космологических вопросов.

Подпишитесь на нас:Дзен.Новости / Вконтакте / Telegram

Галактики

Следующая ступень организации материи во Вселенной − галактики. Типичным
примером является наша галактика − Млечный путь. Она содержит около 10¹¹
звезд и имеет форму тонкого диска с утолщением в центре.
На рис. 39 схематически показано строение нашей галактики Млечный путь и указано
положение Солнца в одном из спиральных рукавов галактики.

Рис. 39. Строение галактики Млечный путь.

На рис. 40 показана
проекция на плоскость 16 ближайших соседей нашей галактики.

Рис. 40. 16 ближайших соседей нашей Галактики, спроецированных на плоскость. БМО
и ММО − Большое и Малое Магелланово Облако

Звезды в галактиках распределены неравномерно.

Размеры галактик изменяются от 15 до 800 тысяч световых лет. Масса галактик
варьируется от 10⁷
до 10¹²
масс Солнца. В галактиках сосредоточено основное число звезд и холодного газа.
Звезды в галактиках удерживаются суммарным гравитационным полем галактики и
темной материи.

Наша галактика Млечный путь представляет собой типичную спиральную систему. Звезды
в галактике наряду с общим вращением галактик имеют также собственные скорости
относительно галактики. Орбитальная скорость Солнца в нашей галактике составляет
230 км/с. Собственная скорость Солнца относительно галактики составляет
20
км/с.

Э. Хаббл
(1889–1953)

Открытие мира галактик принадлежит Э. Хабблу. В 1923–1924 гг., наблюдая
изменения светимости цефеид, находящихся в отдельных туманностях, он показал,
что обнаруженные им туманности являются галактиками, расположенными за пределами
нашей галактики − Млечного пути. В частности он обнаружил, что Туманность
Андромеды является другой звездной системой − галактикой, не входящей в состав
нашей галактики Млечный путь. Туманность Андромеды – спиральная галактика,
находящаяся на расстоянии 520 кпк. Поперечный размер туманности Андромеды
составляет 50 кпк.
Изучая лучевые скорости отдельных галактик, Хаббл сделал
выдающееся открытие:

Закон Хаббла

Расстояние
R
между любыми двумя удаленными галактиками увеличивается со скоростью
v

v = H·R,

(9)

H = 73. 8 ± 2.4 км·сек^-1·мегапарсек^-1
– параметр Хаббла.

Рис. 41. Оригинальный график Хаббла из работы 1929 г.

Рис. 42. Скорость удаления галактик в зависимости от расстояния до Земли.

На рис. 42 в начале координат квадратом показана область скоростей галактик и
расстояний до них, на основе которой Э. Хаббл вывел соотношение (9).

Открытие Хаббла имело предысторию. В 1914 г. астроном В. Слайфер показал, что
туманность Андромеды и ещё несколько туманностей движутся относительно Солнечной
системы со скоростями около 1000 км/ч. Э. Хабблу, работавшему на крупнейшем в
мире телескопе с главным зеркалом диаметром 2,5 м обсерватории Маунт Вилсон в
Калифорнии (США), удалось впервые разрешить отдельные звезды в туманности
Андромеды. Среди этих звезд были звезды-цефеиды, для которых известна
зависимость между периодом изменения светимости и светимостью.

Зная светимость звезды и скорость звезды, Э. Хаббл получил зависимость скорости
удаления звезд от Солнечной системы в зависимости от расстояния. На рис. 41
приведен график из оригинальной работы Э. Хаббла.

Рис. 43. Космический телескоп Хаббл

Эффект Доплера

Эффект Доплера − изменение частоты,
регистрируемой приемником при движении источника или приемника.

Если движущийся источник излучает свет,
имеющий частоту ω₀,
то частота света, регистрируемая приемником, определяется соотношением

с − скорость света в вакууме, v −
скорость движения источника излучения относительно приемника
излучения, θ − угол между направлением на источник и вектором
скорости в системе отсчета приемника. θ = 0
соответствует радиальному удалению
источника от приемника, θ = π
соответствует радиальному приближению
источника к приемнику.

Лучевую скорость движения небесных объектов − звезд, галактик − определяют,
измеряя изменение частоты спектральных линий. При удалении источника излучения
от наблюдателя происходит смещение длин волн в сторону более длинных длин волн
(красное смещение). При приближении источника излучения к наблюдателю происходит
смещение длин волн в сторону более коротких длин волн (синее смещение). По
увеличению ширины распределения спектральной линии можно определить температуру
излучающего объекта.

Хаббл разделил галактики по их внешнему виду на три больших класса:

эллиптические (E),
спиральные (S),
иррегулярные (Ir).

Рис. 44. Типы галактик
(спиральная, эллиптическая, иррегулярная).

Характерной чертой спиральных галактик являются спиральные ветви, простирающиеся
от центра по всему звездному диску.

Эллиптические галактики представляют собой бесструктурные системы эллиптической
формы.

Иррегулярные галактики выделяются внешне хаотической, клочковатой структурой и
не имеют какой-то определенной формы.

Такая классификация галактик отражает не только их внешние формы, но и свойства
входящих в них звезд.

Эллиптические галактики состоят преимущественно из старых звезд. В иррегулярных
галактиках основной вклад в излучение дают звезды моложе Солнца. В спиральных
галактиках обнаруживаются звезды всех возрастов. Таким образом, различие во
внешнем виде галактик определяется характером их эволюции. В эллиптических
галактиках звездообразование практически прекратилось миллиарды лет назад. В
спиральных галактиках образование звезд продолжается. В иррегулярных галактиках
звездообразование происходит так же интенсивно, как и миллиарды лет назад. Почти
все звезды сосредоточенны в широком диске, основную массу которого составляет
межзвездный газ.

В таблице 19 приведены относительное
сравнение этих трех типов галактик и сравнение их свойств на основе анализа
Э. Хаббла.

Таблица 19

Основные типы галактик и их свойства (по Э. Хабблу)
Спиральные	Эллиптические	Иррегулярные
Процентное соотношение во Вселенной
34%	13%	53%
Форма и структурные свойства
Плоский диск звезд и газа со спиральными рукавами, утолщающимися к центру. Ядро из более старых звезд и примерно сферическое гало (межзвездный газ, немного звезд и магнитные поля)	Диск отсутствует. Звезды распределены в объеме, напоминающем эллипсоид.	Никаких внутренних особенностей, кроме плотного ядра в центре. Структура отсутствует.
Состав звезд
Диск содержит молодые и старые звезды. Ядро − только старые	Только старые звезды.	Молодые и старые звезды.
Газ и пыль
В диске довольно много газа и пыли, в гало − мало или нет совсем.	Газа и пыли мало или нет совсем.	Газа и пыли много.
Образование звезд
Звезды продолжают рождаться в спиральных рукавах.	Звезды практически не образуются последние 10 млрд. лет.	Энергичное рождение звезд сейчас.
Движение звезд и газа
Газ и звезды в диске движутся по эллиптическим орбитам вокруг галактического центра. Звезды в гало движутся хаотически.	Звезды движутся хаотически.	Звезды и газ движутся хаотически.

Сколько весит галактика?

Примечание редактора: Astrobites — это организация, управляемая аспирантами, которая собирает астрофизическую литературу для студентов бакалавриата. В рамках партнерства между AAS и astrobites мы время от времени публикуем контент astrobites здесь, в AAS Nova. Мы надеемся, что вам понравится этот пост от astrobites; оригинал можно посмотреть на astrobites.org.

Заголовок: Доказательства существования Млечного Пути промежуточной массы от Gaia DR2 Движения шаровых скоплений Halo
Авторы: Laura L. Watkins et al.
Учреждение первого автора: Чикагский университет
Статус: Опубликовано в ApJ

Мы не можем поставить это на цифровые весы, мы не можем повесить это на весы и сравнить с чем-то другим, поэтому как можно измерить массу нашей родной галактики? Авторы сегодняшней статьи используют измерения шаровых скоплений в гало галактики, полученные со спутника Gaia, для оценки массы Млечного Пути.

Из чего состоит наша Галактика и зачем ее взвешивать?

Наша галактика состоит из четырех основных частей: выпуклости, диска (который содержит тонкий и толстый диски), перемычки и гало (см. рис. 1). Первые три компонента состоят из барионов, частиц, из которых состоят протоны и нейтроны и, следовательно, большинство вещей вокруг нас. Однако в гало преобладает темная материя, и процент барионной массы в гало зависит от того, сколько там темной материи. Темная материя — таинственная субстанция, пронизывающая галактику, сильно взаимодействующая с гравитацией и слабо со светом. Мы знаем, что темная материя существует из-за кривой вращения галактики; если бы масса была сосредоточена в центре, скорость внешних областей была бы меньше, чем скорость внутренних областей. В случае с Млечным Путем мы видим, что скорость вращения остается довольно постоянной на всем протяжении, что указывает на присутствие некой невидимой материи (материи, которую мы идентифицируем как темную материю). Из-за ее слабого взаимодействия со светом может быть очень сложно измерить количество темной материи и, следовательно, ее вес. Преодоление этой проблемы, связанной с вычислением массы темной материи в гало нашей галактики, было бы большим шагом к получению массы Млечного Пути.

Измерение массы нашей галактики очень полезно по двум причинам: во-первых, потому что масса галактики и ее распределение связаны с формированием и ростом нашей вселенной. Точное определение массы поможет нам понять, какое место занимает наша галактика в масштабе космоса. Во-вторых, это помогает нам узнать о динамической истории и будущем Местной группы и населения спутников (в частности, звездных потоков).

Рис. 1. Слева: положение Солнца в Млечном Пути, вид спереди. Справа: различные части галактики с ребра. [ЕСА]

Как взвесить галактику

Оценка массы галактики зависит от многих факторов, в том числе от того, какие спутники связаны и как долго они находятся таким образом, от формы Млечного Пути и метода, используемого для анализа. . Для измерения массы галактики в основном использовались три метода: аргумент времени, исследования соответствия численности и динамические методы. Аргумент времени измеряет скорость, с которой две галактики приближаются друг к другу, и использует эту динамику для предсказания массы. В исследованиях по сопоставлению численности используется количество галактик в зависимости от их круговой скорости и соотношение Талли-Фишера для получения их светимости, которую можно использовать для оценки их массы. Наконец, динамические методы рассматривают скорость объектов-трассеров, таких как шаровые скопления; любое распределение массы порождает гравитационный потенциал, который заставляет объекты двигаться, поэтому, изучая движения объектов, мы можем работать в обратном направлении, чтобы восстановить гравитационный потенциал и, следовательно, массу. Авторы сегодняшней статьи используют этот динамический метод для измерения массы Млечного Пути.

Использование Gaia для картирования движения

Команда использовала данные из выпусков данных миссии Gaia 2 ^nd (DR2) для измерения собственного движения звезд или того, как они движутся по небу. Gaia — это космический инструмент, целью которого является создание трехмерной карты галактики, и этот выпуск данных содержал измерения для миллиардов звезд и 75 шаровых скоплений. Наблюдения Gaia настолько точны, что могут измерять ширину человеческого волоса на расстоянии 1000 км, что в 1000–2000 раз выше, чем у космического телескопа Хаббла! (Посмотрите это действительно классное видео о Gaia, чтобы узнать больше об этом удивительном спутнике. ) На рис. 2 показано, сколько источников было измерено Gaia. Из 75 измерений шаровых скоплений, опубликованных в DR2, авторы использовали 34 из них, охватывающих диапазон расстояний от 2,0 до 21,1 килопарсек от центра галактики, что позволило авторам проследить массу Млечного Пути до внешнего гало. .

Рисунок 2: Карта количества источников, которые Гайя измеряет в проекции плоскости галактики (с центром в галактическом центре). Чем светлее цвет, тем больше источников. Два круга в правом нижнем углу — это две очень маленькие карликовые галактики, вращающиеся вокруг Млечного Пути. На этом рисунке показаны миллиарды звезд, содержащихся в DR2. [Браун и др. 2018]

Чтобы правильно нанести на карту массу галактики, им нужны такие параметры, как анизотропия скоростей (которая измеряет, как движения звезд различаются в разных направлениях), плотность галактики и потенциал галактики. Команда использует модель NFW, которая представляет собой модель распределения плотности внутри галактики, чтобы описать потенциал галактики. Затем авторы запускают моделирование, чтобы определить радиус, внутри которого частицы гравитационно связаны друг с другом (вириальный радиус), и массу, содержащуюся внутри вириального радиуса (вириальную массу). Изменяя вириальные параметры и пробуя разные модели гало, команда смогла определить наиболее вероятную массу галактики. Кроме того, они используют скорости звезд для отображения круговой скорости галактики в пределах радиуса самого дальнего шарового скопления. На рис. 3 показан потенциал различных компонентов галактики и результаты варьирования вириальных параметров гало.

Рисунок 3: Потенциал галактики в зависимости от расстояния. Каждый компонент галактики помечен. Авторы изменяют вириальный радиус и концентрацию (которая представляет собой плотность) гало, а различные значения, которые они выбирают, показаны заштрихованной областью вокруг кривой гало. Комбинация компонентов (т. е. полный потенциал галактики) — серая линия. Авторы наносят на карту потенциал всей галактики, но вертикальные пунктирные линии показывают интересующую их область, то есть расстояние до ближайшего и самого дальнего шарового скопления в их выборке. Сплошные линии показывают степень наиболее подходящего степенного закона для этой области, а пунктирные линии показывают степень соответствия за пределами интересующей области. [Уоткинс и др. 2019]

Доказательства наличия промежуточной массы Млечного Пути

Авторы находят, что масса галактики составляет 0,21 x 10 ¹² масс Солнца, круговая скорость галактики на максимальном радиусе, на который они смотрят (21,1 кпк), составляет 206 км/с, а вириальный радиус составляет 1,28 x 10 ¹² солнечных масс. Эта вириальная масса больше всего соответствует промежуточным значениям, полученным в других исследованиях. Измерение круговой скорости, сделанное авторами, указывает на то, что скорость во внешних областях довольно постоянна, что подтверждает идею о том, что в нашей галактике присутствует темная материя. Некоторые из скоплений, которые команда использовала для измерений, находятся на очень радиальных или очень тангенциальных орбитах, что могло быть результатом галактических столкновений. Если они удалят эти скопления, измерения массы и скорости все еще будут в пределах их погрешностей, показывая, что эти оценки устойчивы, даже если в галактике есть подструктуры шаровых скоплений.

Невероятное количество данных миссии Gaia позволило команде сделать одну из самых точных оценок массы галактики, которая когда-либо была достигнута. Поскольку Gaia продолжит свою миссию в течение следующих нескольких лет, она получит координаты и скорости еще большего количества скоплений, прокладывая путь к более надежным исследованиям массы нашей галактики.

Об авторе Хейли Уол:
Я учусь на третьем курсе Университета Западной Вирджинии, и моя основная область исследований — пульсары. В настоящее время я работаю с коллаборацией NANOGrav (коллаборация, которая является частью всемирных усилий по обнаружению гравитационных волн с помощью пульсаров) над калибровкой поляризации. В моем наборе 45-миллисекундных пульсаров я смотрю, как мера вращения (насколько свет от звезды вращается межзвездной средой на пути к нам) меняется со временем, что может рассказать нам об изменении галактическое магнитное поле. В основном меня интересует излучение пульсаров и те странные вещи, которые мы наблюдаем за пульсарами! Помимо проведения исследований, я также большой поклонник бега, выпечки, чтения, просмотра фильмов и я ОБОЖАЮ собак!

темная материя галактическое гало Млечный Путь спиральные галактики

25.3 Масса Галактики — Астрономия 2e

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

Опишите исторические попытки определить массу Галактики
Интерпретируйте наблюдаемую кривую вращения нашей Галактики, чтобы предположить наличие темной материи, распространение которой простирается далеко за пределы орбиты Солнца

Когда мы описывали участки Млечного Пути, мы сказали, что теперь известно, что звезды окружены гораздо большим ореолом невидимой материи. Давайте посмотрим, как было сделано это удивительное открытие.

Кеплер помогает взвесить галактику

Солнце, как и все другие звезды Галактики, вращается вокруг центра Млечного Пути. Орбита нашей звезды почти круговая и лежит в диске Галактики. Скорость Солнца по его орбите составляет около 200 километров в секунду, а это значит, что нам требуется примерно 225 миллионов лет, чтобы один раз обогнуть центр Галактики. Мы называем период обращения Солнца 9-м.0084 галактический год. Это долгое время по сравнению с человеческими масштабами времени; за все время существования Земли прошло всего около 20 галактических лет. Это означает, что мы прошли лишь крошечную часть пути вокруг Галактики за все время, пока люди смотрели в небо.

Мы можем использовать информацию об орбите Солнца для оценки массы Галактики (так же, как мы могли бы «взвесить» Солнце, наблюдая за орбитой планеты вокруг него — см. Орбиты и гравитация). Давайте предположим, что орбита Солнца круглая, а Галактика примерно сферическая (мы знаем, что Галактика по форме больше похожа на диск, но для упрощения вычислений мы сделаем это предположение, которое иллюстрирует основной подход). Давным-давно Ньютон показал, что если у вас есть материя, распределенная в форме сферы, то легко рассчитать гравитационное притяжение на какой-либо объект сразу за пределами этой сферы: вы можете предположить, что гравитация действует так, как если бы вся материя была сосредоточена в одной точке. точка в центре сферы. Таким образом, для наших расчетов мы можем предположить, что вся масса, которая находится внутри положения Солнца, сосредоточена в центре Галактики и что Солнце вращается вокруг этой точки на расстоянии около 26 000 световых лет.

Это ситуация, к которой третий закон Кеплера (в модификации Ньютона) можно применить напрямую. Подставляя числа в формулу Кеплера, мы можем вычислить сумму масс Галактики и Солнца. Однако масса Солнца совершенно тривиальна по сравнению с массой Галактики. Таким образом, для всех практических целей результатом (примерно в 100 миллиардов раз больше массы Солнца) является масса Млечного Пути. Аналогичный результат дают более сложные расчеты, основанные на более сложных моделях.

Наша оценка говорит нам, сколько массы содержится в объеме внутри орбиты Солнца. Это хорошая оценка общей массы Галактики только в том случае, если за пределами орбиты Солнца практически нет массы. Многие годы астрономы считали это предположение разумным. Количество ярких звезд и количество светящегося вещества (имеется в виду любой материал, из которого мы можем обнаружить электромагнитное излучение) резко падают на расстоянии более 30 000 световых лет от галактического центра. Мы и не подозревали, насколько ошибочным было наше предположение.

Галактика, состоящая преимущественно из невидимой материи

В науке то, что кажется разумным предположением, может впоследствии оказаться неверным (вот почему мы продолжаем проводить наблюдения и эксперименты при каждом удобном случае). В Млечном Пути гораздо больше, чем кажется на первый взгляд (или наши инструменты). Хотя за пределами 30 000 световых лет находится относительно немного светящейся материи, мы теперь знаем, что много невидимой материи существует на больших расстояниях от галактического центра.

Мы можем понять, как астрономы обнаружили эту невидимую материю, если вспомним, что в соответствии с третьим законом Кеплера объекты, вращающиеся на больших расстояниях от массивного объекта, будут двигаться медленнее, чем объекты, находящиеся ближе к этой центральной массе. В случае Солнечной системы, например, внешние планеты движутся по своим орбитам медленнее, чем планеты, близкие к Солнцу.

Есть несколько объектов, в том числе шаровые скопления и некоторые близлежащие небольшие галактики-спутники, которые находятся далеко за пределами светящейся границы Млечного Пути. Если бы большая часть массы нашей Галактики была сосредоточена в светящейся области, то эти очень далекие объекты должны были бы двигаться по своим галактическим орбитам с меньшими скоростями, чем, например, Солнце.

Однако оказывается, что немногие объекты, видимые на больших расстояниях от светящейся границы Галактики Млечный Путь, , а не движутся медленнее Солнца. Между 30 000 и 150 000 световых лет от центра Галактики есть несколько шаровых скоплений и звезд типа RR Лиры, и их орбитальные скорости даже больше, чем у Солнца (рис. 25.13).

Рисунок
25.13

Кривая вращения Галактики.

Орбитальная скорость монооксида углерода (CO) и газообразного водорода (H) на разных расстояниях от центра Галактики Млечный Путь показана красным цветом. Синяя кривая показывает, как выглядела бы кривая вращения, если бы вся материя Галактики находилась в радиусе 50 000 световых лет. Вместо того, чтобы опускаться, скорость газовых облаков дальше остается высокой, что указывает на большую массу за пределами орбиты Солнца. Горизонтальная ось показывает расстояние от центра галактики в килопарсеках (где килопарсек равен 3260 световым годам).

Что означают эти более высокие скорости? Третий закон Кеплера говорит нам, с какой скоростью объекты должны вращаться вокруг источника гравитации, если они не должны ни упасть (потому что они движутся слишком медленно), ни убежать (потому что они движутся слишком быстро). Если бы у Галактики была только масса, рассчитанная Кеплером, то высокоскоростные внешние объекты давно должны были бы вырваться из тисков Млечного Пути. Тот факт, что они этого не сделали, означает, что наша Галактика должна иметь большую гравитацию, чем может быть обеспечено светящейся материей — фактически, лот больше тяжести. Высокая скорость этих внешних объектов говорит нам о том, что источник этой дополнительной гравитации должен простираться от центра далеко за пределы орбиты Солнца.

Если бы гравитация создавалась звездами или чем-то другим, испускающим излучение, мы бы давно заметили этот дополнительный внешний материал. Поэтому мы вынуждены с неохотой прийти к заключению, что эта материя невидима и осталась совершенно незамеченной, если не считать ее гравитационного притяжения.

Исследования движений самых удаленных шаровых скоплений и малых галактик, вращающихся вокруг нашей собственной галактики, показывают, что общая масса Галактики составляет не менее 2×10122×1012 M _Солнца , что примерно в двадцать раз больше массы количество светящегося вещества. Более того, темная материя (так астрономы стали называть невидимый материал) простирается на расстояние не менее 200 000 световых лет от центра Галактики. Наблюдения показывают, что это гало темной материи имеет почти сферическую форму, но не совсем.

Возникает очевидный вопрос: из чего состоит темная материя? Давайте посмотрим на список «подозреваемых», взятый из нашего изучения астрономии. Поскольку эта материя невидима, она явно не может быть в виде обычных звезд. И это не может быть газ ни в каком виде (помните, что его должно быть много). Если бы это был нейтральный газообразный водород, его спектральная линия с длиной волны 21 см была бы обнаружена как радиоволны. Если бы это был ионизированный водород, он был бы достаточно горячим, чтобы излучать видимое излучение. Если бы многие атомы водорода там объединились в молекулы водорода, они должны были бы давать темные черты в ультрафиолетовых спектрах объектов, лежащих за пределами Галактики, но таких особенностей не наблюдалось. Не может темная материя состоять и из межзвездной пыли, так как в необходимых количествах пыль значительно затеняла бы свет далеких галактик.

Каковы наши другие возможности? Темной материей не может быть огромное количество черных дыр (звездной массы) или старых нейтронных звезд, поскольку межзвездное вещество, падающее на такие объекты, произвело бы больше рентгеновских лучей, чем наблюдается. Кроме того, напомню, что образованию черных дыр и нейтронных звезд предшествует значительная потеря массы, которая рассеивает тяжелые элементы в космос, чтобы включить их в последующие поколения звезд. Если бы темная материя состояла из огромного количества любых из этих объектов, за всю историю Галактики они бы выбросили и переработали множество более тяжелых элементов. В этом случае молодые звезды, которые мы сегодня наблюдаем в нашей Галактике, содержали бы намного больше тяжелых элементов, чем они есть на самом деле.

Коричневых карликов и одиноких юпитеподобных планет также были исключены. Во-первых, их должно быть ужасно много, чтобы образовать столько темной материи. Но у нас есть более прямой тест на то, действительно ли там может скрываться так много маломассивных объектов. Как мы узнали из книги «Черные дыры и искривленное пространство-время», общая теория относительности предсказывает, что путь, пройденный светом, изменяется, когда он проходит вблизи концентрации массы. Оказывается, когда два объекта появляются в небе достаточно близко друг к другу, масса, расположенная ближе к нам, может преломлять дальний свет. При правильном выравнивании изображение более удаленного объекта также становится значительно ярче. Отыскивая временное увеличение яркости, которое происходит, когда объект темной материи в нашей собственной Галактике пересекает путь, пройденный светом от звезд в Магеллановых Облаках, астрономы теперь показали, что темная материя не может состоять из множества маленьких объектов с массы от одной миллионной до одной десятой массы Солнца.

Что осталось? Одна из возможностей состоит в том, что темная материя состоит из экзотических субатомных частиц, еще не обнаруженных на Земле. В настоящее время проводятся очень сложные (и трудные) эксперименты по поиску таких частиц. Оставайтесь с нами, чтобы узнать, появится ли что-нибудь подобное.

Следует добавить, что проблема темной материи отнюдь не ограничивается Млечным Путем. Наблюдения показывают, что темная материя должна присутствовать и в других галактиках (внешние области которых также вращаются слишком быстро «для их же блага» — у них тоже плоские кривые вращения).