Книга Мир в ореховой скорлупке - Стивен Хокинг

На самом деле для того, чтобы объяснить скорость обращения звезд вокруг центра нашей галактики, по-видимому, надо считать, что там находится большая масса, чем та, которую можно связать с наблюдаемым там веществом.

Свидетельство в пользу существования темной материи

Различные космологические наблюдения дают сильные аргументы в пользу того, что в нашей и других галактиках должно быть намного больше вещества, чем мы видим. Самое убедительное из этих наблюдений — то, что звезды на краях спиральных галактик, подобных нашему Млечному Пути, обращаются намного быстрее, чем если бы они удерживались на своих орбитах только гравитационным притяжением наблюдаемых нами звезд.

С 1970-х гг. нам известно о существовании различий между наблюдаемыми скоростями обращения звезд во внешних областях спиральных галактик (отмечены точками на графике) и орбитальными скоростями, которые ожидаются в соответствии с законами Ньютона на основании данных о распределении видимых в галактике звезд (сплошная кривая на графике). Это расхождение указывает, что во внешних частях спиральных галактик должно быть намного больше вещества.

Природа темной материи

Современные космологи считают, что хотя центральные части спиральных галактик состоят в основном из обычных звезд, на их окраинах доминирует темная материя, которую невозможно увидеть непосредственно. Одна из фундаментальных задач — открыть природу доминирующей формы темной материи в этих внешних областях галактик. До 1980-х гг. предполагалось, что это обычное вещество, состоящее из протонов, нейтронов и электронов, но находящееся в трудно обнаружимой форме; возможно, это газовые облака или массивные компактные гало-объекты — MACHO (massive compact halo objects), например белые карлики, нейтронные звезды или даже черные дыры.

Однако недавние исследования образования галактик склонили космологов к убеждению, что значительная часть темной материи должна отличаться от обычного вещества. Возможно, она складывается из огромного числа очень легких частиц, например аксионов или нейтрино. Она может также состоять из более экзотических слабо взаимодействующих массивных частиц WIMP (weakly interacting massive particles), существование которых предсказывают современные теории элементарных частиц, но которые еще никогда не регистрировались экспериментально.

Недостающая масса может быть связана с какими-то экзотическими для нашего мира видами частиц, например это могут быть WIMP (weakly interacting massive particles — слабо взаимодействующие массивные частицы) иди аксоны (очень легкие элементарные частицы). Но также возможно, что недостающая масса указывает на существование теневого мира и вещества в нем. Быть может, там есть и теневые человеческие существа, озадаченные массой, которая кажется отсутствующей в их мире, но влияет на орбиты теневых звезд вокруг центра теневой галактики (рис. 7.13).

Рис 7.13

Мы не увидим теневой галактики на теневой бране, поскольку свет не проходит через дополнительные измерения. Но тяготение проходит, и потому вращение нашей Галактики должно испытывать воздействие темной материи, увидеть которую мы не можем.

Вместо того чтобы заканчиваться на второй бране, дополнительные измерения могут быть бесконечными, но с сильным седлообразным искривлением (рис. 7.14).

Рис. 7.14

В модели Рандалл — Сандрама есть только одна брана (представленная здесь лишь одним своим измерением). Дополнительные измерения тянутся до бесконечности, но искривлены как седло. Эта кривизна мешает гравитационному полю вещества на бране распространяться далеко в дополнительные измерения.

Лиза Рандалл и Раман Сандрам показали, что этот тип кривизны дает эффект, очень похожий на тот, что обусловливает присутствие второй браны: гравитационное влияние объекта на бране будет ограничено небольшой окрестностью и не распространится до бесконечности в дополнительных измерениях. Как и в модели с теневой браной, на больших расстояниях гравитационное поле будет спадать как раз с той скоростью, которая нужна, чтобы объяснить планетные орбиты и лабораторные измерения, но на коротких расстояниях тяготение будет меняться значительно быстрее.

Однако между моделью Рандалл — Сандрама и моделью теневой браны есть важное различие. Тела, которые движутся под воздействием тяготения, порождают гравитационные волны, колебания кривизны, которые распространяются по пространству-времени со скоростью света. Подобно световым электромагнитным волнам, гравитационные волны должны нести энергию, это предсказание подтвердилось наблюдениями двойного пульсара PSR1913+16.

Двойные пульсары

Общая теория относительности предсказывает, что массивные тела, движущиеся под воздействием тяготения, испускают гравитационные волны. Они, подобно световым волнам, уносят энергию объектов, которые их испускают. Правда, обычно потеря энергии идет крайне медленно и ее трудно заметить. Например, испускание гравитационных волн заставляет Землю медленно по спирали двигаться к Солнцу, но для того, чтобы упасть, ей понадобится 1027лет.

Однако в 1975 г. Рассел Халс и Джозеф Тейлор открыли двойной пульсар PSR1913+16, систему из двух компактных нейтронных звезд, которые при обращении удаляются друг от друга не больше чем на один радиус Солнца. Согласно общей теории относительности быстрое движение означает, что орбитальный период этой системы должен сокращаться в гораздо меньшем масштабе времени благодаря испусканию сильного гравитационно-волнового сигнала. Предсказания общей теории относительности получили великолепное подтверждение в наблюдениях Халса и Тейлора. Они измерили, что с 1975 г. период обращения сократился более чем на 10 с. В 1993 г. им была присуждена Нобелевская премия за это подтверждение общей теории относительности.

Если мы действительно живем на бране в пространстве с дополнительными измерениями, гравитационные волны, возникающие при движении тел на бране, должны уходить в другие измерения. Если есть вторая, теневая, брана, гравитационные волны будут отражаться назад и оставаться между двумя бранами. С другой стороны, при наличии только одной браны и уходящих на бесконечность измерений, как в модели Рандалл — Сандрама, гравитационные волны могут исчезать и уносить энергию из мира на нашей бране (рис. 7.15).