Наскільки можна довіряти висновкам астрофізиків?

Геніальний данський фізик Нільс Бор в кінці 50-х років минулого сторіччя, виступаючи в дискусії з приводу нової теорії елементарних частинок його учня Гейзенберга, сказав: “Це, звичайно, божевільна теорія. Однак вона мені здається недостатньо божевільною, щоб бути правильною новою теорією” .

Нільс Бор – відомий дотепник. Молоді фізики в його інституті навіть складали класифікацію його афоризмів. Але головне – не дотепність Нільса Бора, головне те, що він був генієм. І його слова про божевільні теорії не варто розуміти занадто буквально. Можливо, він мав на увазі вміння подивитися на факти під несподіваним кутом зору. Але слова веселого генія були вимовлені і, відповідно, прийняті фізиками на озброєння. А так як фізиків куди більше, ніж геніїв, то “божевілля” ідей стало вважатися гарним тоном, незалежно від їх наукової цінності. Це поступово виродилося в наукову вседозволеність і безвідповідальність. Розглянемо для прикладу “доказ” існування мандрівних чорних дір. Логіка “доказів” така. Одна з двох чорних дір, які знаходилися в центрах галактик, що зіштовхуються, була викинута в процесі їх злиття в світовий простір несиметричним випромінюванням гравітаційних хвиль і тепер десь там мандрує.

По-перше, існування чорних дір прямими спостереженнями поки не доведено. Швидше, має місце зворотне явище. Для нашої Галактики встановлено, що ніякої чорної діри в центрі Галактики немає. А згідно з принципом пересічності, ні Земля, ні Сонце, ні наша Галактика не виділені у Всесвіті, а є її типовими рядовими явищами. Отже, якщо немає чорної діри в центрі нашої Галактики, то в центрах інших галактик чорних дір теж бути не повинно. Вперше принцип пересічності був введений Коперником при переході від геоцентричної системи світу до геліоцентричної. А зараз вже він є загальновизнаним науковим принципом і широко застосовується в космології, навіть у тих випадках, коли обговорюється не спостережуване явище, а гіпотетичне.

По-друге, численні спроби зафіксувати гравітаційні хвилі теж не увінчалися успіхом, хоча шукають їх з кінця 1960-х років. Тобто гравітаційні хвилі також слід віднести до гіпотетичних явищ. Таким чином, гіпотетичне подія – викид чорної діри – обгрунтовано за допомогою двох гіпотетичних понять (чорна діра і гравітаційні хвилі). І ось уже простір Інтернету борознять численні блукаючі чорні діри і нікому в голову не приходить засумніватися в реальності цього явища. Введіть в пошуковик “блукаючі чорні діри” і переконаєтеся в цьому самі.

Ще більш цікава історія у поняття “темна матерія”. Вперше ідею про існування якоїсь темної матерії висловив в 1937 році швейцарський астроном Фріц Цвікі. Згідно його спостереженнями в скупченнях галактик повинна існувати прихована маса, так як маси спостережуваного речовини, що світиться, недостатньо для утримання швидко рухомих галактик в межах скупчення. Майже до кінця двадцятого століття відсутню масу шукали у формі звичайної баріонів матерії. Але пошуки були безрезультатними. Забігаючи вперед, підкреслимо, що до справжнього моменту ці пошуки вже увінчалися успіхом (див., наприклад, повідомлення “Загублені” баріони в Галактиці, Успіхи фізичних наук, 1 листопада 2012. Запам’ятаємо цей факт. Нижче ми ще повернемося до питання про те, з допомогою яких спостережень була виявлена недостатність баріонів матерії.

Але от з кінця минулого століття всі астрофізики якось раптом згадали про допустимість “божевільних” ідей, які на те й божевільні, що можна не дуже обтяжуватися їх обгрунтуванням. І астрофізика зафонтанували “відкриттями” темної матерії, яка є не просто невидима колишніми засобами спостереження звичайної баріонної матерії. Ні в якому разі! Це принципово не спостережувана ніякими приладами матерія, так як вона не випускає електромагнітного випромінювання і не взаємодіє з ним. Її можна виявити тільки за створюваним нею гравітаційним ефектом.

Але навіть принципова неспостережність матерії повинна мати якусь структуру, щоб створювати гравітаційні ефекти. І фізики зосередилися на з’ясуванні структури цієї принципово не спостережуваної темної матерії. Притягаючи баріонну матерію, темна матерія якимось чином діє на атоми цієї матерії. Виходячи з припущення, що частинки темної матерії, названі вімпами, діють на ядра атомів, було ретельно підготовлено декілька експериментів для реєстрації цих частинок. Але жоден з цих експериментів не увінчався успіхом. Тоді було висунуто припущення, що вімпи діють не на ядра атомів, а на електрони. Але і в цьому випадку аналіз проведених експериментів не дав очікуваних результатів. Ось на даний момент і виходить, що темна матерія ніякої структури не має, але баріонну матерію якимось чином притягує.

Не з’ясувавши структури темної матерії, астрофізики задалися метою з’ясувати її глобальні властивості. Для цього використовували фотографії зіткнень скупчень галактик. До даного часу є шість фотографій високошвидкісних зіткнень скупчень галактик. Темну матерію в цих шести випадках знаходили методом гравітаційного лінзування і наносили на фотографію скупчення. Зазвичай передбачувану темну матерію зображували синім кольором. На згаданих шести фотографіях темна матерія межувала зі звичайною баріонною масою галактик. У публікаціях зазвичай демонструють фотографію скупчення Кулі (рис.1). Виходячи з виду цих шести фотографій, головною визначальною властивістю темної матерії оголосили наступне – баріонна маса скупчень завжди слідує за темною матерією.

Рис. 1

Але ось в 2007 році були отримані дані для скупчення Abell 520, з яких випливало, що головне визначає властивість темної матерії не виконується-відбувся поділ темної матерії і звичайної маси галактик (рис.2).

 Рис. 2

Природно, ці дані учені порахували помилковими і публікувати їх не стали. Повторна перевірка отриманих результатів тривала 5 років. При цьому були задіяні

1) телескоп у звичайній оптиці на Гаваях (на фото оранжевий колір),

2) рентгенівської телескоп НАСА Чандра (зелений колір),

3) дані гравітаційного лінзування (синій колір).

За результатами перевірки довелося визнати – так, баріонів маса галактик йде від передбачуваної темної матерії.

При зіставленні з колишніми даними вийшов дивовижний результат – в різних ділянках Всесвіту діють різні фізичні закони. В одних областях Всесвіту галактики слідують за темною матерією, а в інших областях не звертають на темну матерію ніякої уваги. Але всім було ясно, що так не буває. І фізики поспішили рятувати ситуацію. Було висунуто припущення, що взагалі-об’єкти темної матерії проходять один крізь одного без гальмування, але деяка частина темної матерії є в’язкою (липкою), взаємодіє сама з собою, і залишається позаду. Що думають з приводу подібних теорій читачі, можна подивитися тут і тут

Щоб пояснити протиріччя, повернемося до питання про те, за допомогою яких спостережень була виявлена в нашій Галактиці відсутня баріонів матерія. Остаточну ясність у питання, чи можна пояснити криві обертання галактик за допомогою однієї тільки баріонної матерії, або доведеться визнати неминучість введення “темної матерії”, вніс запуск 24 червня 1999 орбітального космічного телескопа FUSE, який працював в ультрафіолетовому діапазоні. Робота телескопа планувалася на три роки, але апарат пропрацював 8 років до 18 жовтня 2007 року. За цей час був зібраний багатий спостережний матеріал. В околицях нашої Галактики було виявлено велику кількість хмар високоіонізованного баріонного газу, здатного випромінювати тільки в ультрафіолетовому діапазоні і тому не був виявлений ніякими минулими спостереженнями. Повна маса випромінюваних в ультрафіолеті баріонів і склала ту відсутню “темну матерію”, яка дозволила пояснити криву обертання нашої Галактики без залучення гіпотези про темну матерію. А далі повинен був вступити в дію принцип пересічності: якщо в нашій Галактиці темної матерії немає, то в інших галактиках її теж бути не повинно. Мабуть, незабаром представиться випадок перевірити універсальність принципу пересічності. Справа в тому, що в даний час в Росії ведуться роботи по створенню великої міжнародної космічної обсерваторії для спостережень в ультрафіолетовому діапазоні – проект “Всесвітня космічна обсерваторія – ультрафіолет”. Проект УФ включений в Федеральну космічну програму Росії. Запуск обсерваторії запланований на 2014-2015 роки. В період роботи обсерваторії вона буде єдиним астрофізичним інструментом для отримання ультрафіолетових спектрів високого дозволу. І другий галактикою, після нашої Галактики, для якої буде підтверджений чисто баріонів склад, швидше за все, буде Туманність Андромеди.

А тепер спробуємо пояснити феномени двох зіткнень скупчень – Кулі (рис.1) і Abell 520 (рис.2), виходячи з останніх спостережень за нашою галактикою Чумацький Шлях за допомогою космічних телескопів.

Встановлено наступне:

1. У центрі галактики немає чорної діри;
2. У галактиці немає темної матерії;
3. Галактика оточена масивним гало гарячого газу з температурою в межах від одного до двох з половиною мільйонів градусів Кельвіна. Радіус гало близько десяти радіусів Галактики, а маса газу гало не поступається масі зоряної складової Галактики
Якщо перенести ці три властивості на всі галактики Всесвіту, то позірна невідповідність між рис.1 і рис.2 отримує просте і природне пояснення. На малюнку 3 схематично показані послідовні стадії взаємного розташування трьох скупчень. Темний колір – зоряна складова, синій колір – газ гало. Швидкості скупчень такі, що вони або пройдуть на близькій відстані один від одного, або зіткнуться влобову, що трапляється значно рідше.

Рис. 3

Стадія 1 (задовго до зіткнення) у спостерігачів не викликає інтересу і її на фотографіях не фіксують. Стадія 2 (максимальне зближення) викликає великий інтерес, її фіксують на фотографіях і піддають всебічному вивченню. Саме ця стадія зафіксована на фотографії скупчення Куля (рис.1). Стадія 3 теж викликає інтерес, але тільки в тому випадку, якщо зоряні складові скупчень встигли розійтися не занадто далеко. Цей випадок зафіксований на фотографії скупчення Abell 520 (рис.2).

Розглянемо докладніше, що відбувається у випадку, якщо скупчення проходять дуже близько один від одного. Так як скупчення оточені масивними газовими гало, а газ – субстанція володіє в’язкістю, то при зустрічі скупчень газові маси гало взаємно загальмуються і почнуть перемішуватися, а скупчення зірок, сильно збіднені газом, підуть кожне своїм шляхом, подібно до того, як кинутий камінь вільно пролітає крізь два змішаних повітряних потока. Для скупчення Куля опублікований детальний знімок із зображеннями ізофотамі двох змішуваних газових гало (рис.4 зліва). Ізофотамі – це лінії рівна поверхневої яскравості. А на рис.4 праворуч показана схема того, як газ двох незалежних гало починає змішуватися.

Рис. 4

Маса затримався дуже гарячого і сильно іонізованого газу може бути виявлена тільки в УФ діапазоні. Але ні для скупчення Куля, ні для скупчення Abell 520 зйомки в УФ не відбувались. Тому основна маса газу, що випромінює в ультрафіолеті, залишилася невидимою. Ось цей не побачений газ і приймається за темну матерію. Для того, щоб цей газ став видимим, до зйомок у звичайній оптиці і в рентгенівському діапазоні потрібно додати зйомки в ультрафіолеті. Але це може статися не раніше, ніж відбудеться запуск проекту УФ, запланований на 2014-2015 роки.

На жаль, стислість людської цивілізації ніколи не дозволить зафіксувати всі три стадії зближаючих скупчень, показані на рис.3. Занадто це повільний процес за людськими мірками. Відомо, наприклад, що швидкість зближення двох найбільших галактик (нашої і туманності Андромеди) відбувається зі швидкістю близько 120 км / с. Зіткнення ж цих галактик (або зближення їх на мінімальну відстань) відбудеться приблизно через п’ять мільярдів років, в той час як вік Землі становить лише 4,5 мільярда років. При таких часових масштабах зрозуміло, що три стадії взаємного розташування трьох скупчень (рис.3) будуть розділені часовими проміжками в мільярди років. Тому астрономам судилося завжди фіксувати тільки одну з цих стадій. Як же в такому випадку отримати правильну інтерпретацію спостережуваної картини? Критерій один – не вводити гіпотез, які суперечать властивостям галактики Чумацький Шлях, встановленим прямими спостереженнями за допомогою новітніх космічних телескопів. А всі вигадки, які суперечить цим властивостям, слід брати під сумнів.

Л.М. Топтунова