1. Реликтовое излучение и тёмная материя;

Ещё в расчётах Фридмана было показано, что эволюция Вселенной зависит от массы вещества, которое определяет метрику пространства - время. Подсчёты видимой массы показывали, что её недостаточно для стационарной модели Вселенной. Но с этой массой получалось что-то странное. В 30-е годы астроном Фриц Цикки изучал движение связанной группы галактик, каждая из которых движется настолько быстро, что должна была бы покинуть группу, так как их общее тяготение примерно в 10 раз меньше того, что могло бы их удержать. Оставалось предположить, что есть ещё какая-то тёмная масса, что-то, что астрономы не замечают.

На явное несоответствие массы видимого вещества Вселенной его наблюдаемому движению указывает ещё один экспериментальный факт. Это реликтовое излучение, которое было предсказано Гаммовым в 1948 г., а открыто Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном в 1965 г. (Нобелевская премия 1978г.). Регистрация этого излучения стала возможна в связи с созданием больших приёмных радиоантенн. Работа над уменьшением фона привела к тому, что было показано, что существует предел на уровне фона (шума антенны), который значительно превосходил теоретический предел шума для данной антенны и был один и тот же для разных антенн.

Оказалось, что этот шум, имеющий спектр абсолютно чёрного тела с температурой (2,7К)- бывший свет, свет остатков Большого взрыва. Когда-то он был почти таким же ярким, как свет Солнца (Т6000 К), но светил со всех сторон. В течение 410⁵ лет после Большого взрыва среда оставалась настолько плотной и горячей, что была непрозрачна для собственного излучения. Наконец, когда из-за расширения пространства температура упала до 4000 К среда стала прозрачной. Почему 4000 К? При этой температуре и ниже энергия квантов недостаточна для ионизации водорода. То же пространство окружает нас со всех сторон и сегодня, но оно настолько расширилось, что из-за красного смещения максимум излучения сместился с 0,7 мкм (оранжевый цвет) до 1 мм (радиоволны) и воспринимается как радиошум. Реликтовое излучение стало особой темой космологии. Оно заменило когда-то существовавшее понятие эфира: Скорость движения Солнечной системы или космического аппарата нельзя найти относительно вакуума, но можно определить относительно реликтового излучения. (Для справки : V_=390 км/сек по направлению к созвездию Льва.).

Спрашивается нельзя ли по неоднородностям реликтового излучения представить, как было разбросано вещество в пространстве в момент Большого взрыва? Оказалось, что можно. Для измерения понадобились приборы, способные уловить в реликтовом излучении ничтожные неоднородности - в стотысячные доли градуса. Анализ полученных измерений показал, что из рассмотренных Фридманом моделей Вселенной, наиболее правдоподобной является плоская модель и, кроме того, наблюдаемые неоднородности указывают на то, что для образования их обычного вещества явно недостаточно. Что-то непонятное и массивное уже тогда присутствовало в рождающейся Вселенной.

Такой же парадокс наблюдается и у нас «дома», в нашей Галактике, спустя 13,7 миллиарда лет. Все звёзды вращаются вокруг центра Галактики (см. рис. 9.13), которая имеет форму диска. Солнце со своими планетами завершает один оборот вокруг центра за 250 миллионов лет. Вокруг центра вращаются и шаровые звёздные скопления, которые при этом периодически то поднимаются над плоскостью Галактики, то опускаются под неё. Опять-то таки суммарная масса звёзд, газа и пыли в диске Галактики значительно меньше той массы, которая должна была бы объяснить и обращение звёзд, и такое своеобразное движение шаровых скоплений.

Дифференциальные скорости вращения галактических объектов от расстояния до центра галактики определяются распределением масс в данной галактике и для сферического объёма с радиусом r, в котором заключена масса M(r), задаются соотношением . Однако для многих спиральных галактик скорость v(r) остаётся почти постоянной на весьма значительном удалении от центра (2025 килопарсек).

Р ис. 9.14. Отличие от кеплеровского закона наблюдаемых дифференциальных скоростей v(r) вращения галактических объектов от расстояния R до центра галактики.

Таким образом, для объяснения наблюдаемых значений v(r) необходимо допустить существование ненаблюдаемой (несветящейся) материи, простирающейся на расстояния, превышающие в десятки раз видимые границы галактики и с массой, на порядок выше совокупной массы наблюдаемой светящейся материи галактики.

В связи с актуальностью новых космологических задач астрономы со всей тщательностью взялись за ревизию существующих оценок массы Вселенной. Результат оказался ошеломляющим: всё, что мы видим во Вселенной: звёзды, газ, пылевые скопления и почти все открытые чёрные дыры, - составляет всего 4% её массы. Тёмная материя даёт ещё 20% недостающей массы Вселенной. Эта масса определялась моделью Вселенной, которая находилась в согласии с ОТО и наблюдаемыми экспериментальными фактами. Где же ещё 75%?

В 1998-99 гг. две международные группы астрономов наблюдателей, одной из которых руководили Брайан Шмидт Адам Райес, а другой – Сол Перлмуттер, сообщили, что космологическое расширение происходит с ускорением. Прежде считалось, что разбегание галактик может только замедляться под действием их собственного тяготения. Но ускорение означает, что в природе имеется не только всемирное тяготение, но и всемирное антитяготение, которое преобладает над тяготением в наблюдаемой Вселенной. Антитяготение создаётся не галактиками (с их обычным светящимся барионным веществом и тёмной материей), а некоей особой космической энергией, в которую погружены все галактики мира. Эта тёмная энергия, как её сейчас чаще всего называют, и создаёт антитяготение. Вклад этой энергии в массу Вселенной и составляет недостающие 75%.

Лекция 10. Элементарные частицы.