Main menu:

Скрытая масса во Вселенной

Магнитные поля, которые ускоряют электроны в плазме во время вспышек сверхновых, также ускоряют и протоны — основной компонент космических лучей. Столкновения этих протонов с молекулами межзвездного газа порождают наряду с другими короткоживущими частицами нейтральные пионы, каждый из которых вскоре распадается на пару фотонов высоких энергий. Энергия такого фотона выше 70 млн. эВ, что составляет половину энергии покоя пиона.

В 1969 г. Флойд Стекер из Центра космических полетов им. Годдарда высказал предположение, что повышенная интенсивность гамма-фона в области энергий свыше примерно 1 МэВ обусловлена распадом нейтральных пионов. Чтобы объяснить пороговый характер превышения, Стекер постулировал, что в прошлом, при красном смещении порядка 100, произошло резкое увеличение интенсивности протонной составляющей космического излучения. Фотоны, рожденные в результате этого, должны в нашу эпоху иметь энергии свыше примерно 0,7 МэВ. Гипотеза Большой вспышки автоматически создает начальные условия, благоприятствующие процессу Стекера.

Если фоновое излучение обусловлено вспышкой звездообразования в догалактическую эпоху, то основная доля массы Вселенной сейчас должна быть сосредоточена в несветящихся объектах. Этот вывод следует из: а) наших предыдущих оценок массы, которой должны обладать первичные массивные звезды, чтоб можно было объяснить ряд количественных и качественных особенностей фонового излучения; б) несомненного теоретического положения, что звезды существуют до тех пор, пока не исчерпают запасы ядерного топлива и в) наблюдений, свидетельствующих, что в видимых звездах содержится не более 1/10 массы, которая должна быть заключена (согласно нашей гипотезе) в первичных, ныне умерших звездах.

Открытия последних лет явно подтверждают этот вывод, по крайней мере двумя независимыми способами.
Во-первых, в последнее десятилетие было обнаружено, что объекты, называемые «спиральными галактиками», — всего лишь центральные области систем, в 5—10 раз более протяженных и массивных. Эти оценки отчасти основаны на результатах наблюдений в радиодиапазоне облаков атомарного водорода, которые движутся по круговым орбитам в центральной плоскости спиральных галактик, подобно тому как планеты движутся вокруг Солнца. Эти облака наблюдаются на расстояниях, намного превышающих видимые размеры галактик.

Основы, второго метода, подтверждающего наш тезис, были заложены швейцарским астрофизиком Фрицем Цвикки. Используя теорему Вириала, Цвикки в 1933 г. оценил массу богатого скопления галактик в созвездии Волосы Вероники, измерив лучевые скорости нескольких галактик, входящих в скопление. Он нашел, что «вириальная масса» скопления примерно в 400 раз превосходит сумму масс звезд, наблюдаемых в скоплении. Сейчас, после уточнения расстояния до скопления, найденное Цвикки отношение массы несветящегося вещества к массе светящегося вещества необходимо уменьшить в 10 раз.

Применение того же метода к системам галактик подтверждает наиболее важный вывод Цвикки: светящиеся звезды дают лишь малый вклад в массу богатых скоплений галактик. Оказалось также, что величина этого вклада заметно меняется от скопления к скоплению. И наконец, наблюдения свидетельствуют, что отношение массы несветящегося вещества к массе вещества, излучающего свет, систематически возрастает по мере продвижения по иерархии галактических систем: меньше всего оно для отдельных галактик и, увеличиваясь от двойных систем к кратным, а от них — к малым группам в скоплениях, достигает максимального значения в богатых скоплениях и сверхскоплениях.

Большинство сторонников гипотез первичного огненного шара ныне признают, что основная масса Вселенной должна быть сосредоточена в несветящемся веществе. Если это вещество представляет собой привычные виды материи — малые твердые частицы, астероиды, планеты, звезды крайне малых масс, остатки звезд, — то первичное содержание во Вселенной гелия и дейтерия, предсказываемое «стандартной моделью», трудно согласовать с наблюдениями. Некоторые сторонники гипотезы первичного огненного шара высказывают преположение, что скрытая масса сосредоточена не в обычном веществе, а в частицах особого вида — так называемых массивных нейтрино, существование которых предсказывается в некоторых вариантах теории элементарных частиц. Но даже если масса Вселенной в основном сосредоточена в этих гипотетических частицах, гипотеза огненного шара по-прежнему противоречит астрономическим оценкам первичного содержания гелия и дейтерия: если средняя плотность обычных видов вещества недостаточна, чтобы обеспечить первичное отношение водород-гелий на уровне 16:1, то получается, что первичное содержание дейтерия должно быть в 25 раз больше наблюдаемой величины.

Ни один из основанных на наблюдениях аргументов, свидетельствующих, как это сейчас предполагается, против гипотезы огненного шара, нельзя пока считать абсолютно надежным. Возможно, удастся показать, что первичное содержание гелия значительно превышает наблюдаемое ныне значение; быть может, выяснится, что межзвездный дейтерий имеет вторичное происхождение; возможно, измерения Вуди и Ричардса окажутся неверными из-за ошибочной калибровки, а объединенная теория электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий в один прекрасный день предскажет существование нейтрино с массой, в точности соответствующей величине, необходимой для устранения парадокса «скрытой массы». С полной уверенностью мы можем лишь утверждать, что на данном этапе астрономические соображения скорее свидетельствуют в пользу альтернативной гипотезы, согласно которой фоновое излучение-представляет собой частично термализованный свет звезд.