Послесловие к книге Я. Эйнасто
Яан Эйнасто – космолог 21-го века
Яану Эльмаровичу Эйнасто, астроному Тартуской обсерватории в Эстонии, принадлежат по крайней мере два крупнейших достижения в астрономической науке. Это открытие темной материи в галактиках (1974 г.) и обнаружение ячеистой структуры Вселенной (1997 г.). Исследования в этих областях науки о Вселенной активно продолжаются и развиваются в наши дни во всем мире. Вместе с изучением темной энергии они составляют передний край космологии 21-го века.
Яан Эйнасто (ЯЭ) учился в знаменитом Тартуском университете и по окончании его в 1952 г. пришел в Тартускую обсерваторию им. В.Струве, где и работает до сих пор. Его главным учителем в науке был Григорий Григорьевич Кузмин, автор классических работ по звездной динамике, высоко ценимых специалистами. Вероятно, от Кузмина ЯЭ воспринял вкус к тонким физическим эффектам в динамике звездных систем. Многолетние собственные исследования в этом направлении привели ЯЭ в итоге к представлению о темных гало (или коронах) галактик. До работ ЯЭ, выполненных им совместно с Энном Сааром и Антсом Каасиком, мы не знали, что наша Галактика, Млечный Путь, так велика по размеру и так массивна.
Измерение масс галактик - задача в астрономии очень трудная. Ее впервые удалось решить для знаменитой Туманности Андромеды, гигантской спиральной галактики, ближайшей соседке Млечного Пути. «Взвесил» Андромеду в 1918 г. Эрнст Карлович Эпик, 25-летний выпускник Московского университета, родом из Эстонии, работавший тогда в Москве (позднее он вернулся в Эстонию, в Тарту, где лучшим его учеником был Кузмин, а затем уехал сначала в Германию, а потом в Северную Ирландию). Эпик воспользовался только что полученными на Обсерватории Маунт Вилсон (Калифорния) спектрами Туманности Андромеды. Остается только удивляться, как быстро журнал с этими данными достиг Москвы в столь смутное время, и как быстро Эпик сумел сделать свою пионерскую работу, да еще и представить ее на одном из семинаров в Москве - все это в течение одного 1918-го года. По наклону линий в спектре Андромеды он определил скорость вращения галактики, а затем предположил, что галактика как целое находится в равновесии под действием центробежных сил, порождаемых ее вращением, и сил тяготения, создаваемых массой самой галактики. При этом звезды движутся по круговым орбитам вокруг центра галактики - как планеты вокруг Солнца. Это позволило дать оценку массы галактики: оказалось, что она составляет приблизительно сто миллиардов масс Солнца.
Но это еще не вся масса галактики, а только масса той ее яркой центральной области, свет от которой улавливается телескопом и анализируется спектрометром. Так что, строго говоря, Эпик нашел светящуюся звездную массу Андромеды в пределах радиуса порядка 10 килопарсек (кпк) от центра звездной системы. С этого началась истории взвешивания галактик. Затем были работы Фрица Цвикки, заметившего в 1933 г. невидимый избыток тяготеющей массы в скоплении галактик Кома, и модель Канна-Волтье 1959 года, указывавшая на дополнительную массу в Местной группе галактик, включающей в себя Млечный Путь и Туманность Андромеды. А кульминация этой истории приходится на 1974 год, когда ЯЭ и его сотрудники опубликовали в журнале Nature статью под названием «Динамическое указание на существование массивных корон галактик».
Авторы привлекли наблюдательные данные о малых галактиках-спутниках, обращающихся вокруг самых крупных галактик. Движением карликовых спутников управляет полная масса, заключенная внутри их орбит, а эти орбиты выходят далеко за пределы видимого звездного тела крупной галактики, их радиусы 5-10 раз больше радиуса звездной системы. Если считать, следуя Эпику, что на круговой орбите спутника действующая на него сила притяжения к центру уравновешивается центробежной силой, можно получить представление о полной массе галактики - как видимой, так и невидимой. Оказалась, что эта полная масса раз в 5-10 больше массы всех звезд типичной крупной галактики. Причем дополнительная невидимая масса галактики образует протяженное гало вокруг звездной системы, которое в 5-10 раз больше по размеру, чем сама звездная система.
Вскоре это открытие нашло прямое и убедительное подтверждение в работах американских астрономов Джима Пиблса, Джеремайи Острайкера, Амоса Яхила, Веры Рубин и других. К середине 1980-х гг. представление о темных гало галактик стало общепринятым. Теперь мы знаем, что звездная система нашей Галактики Млечный Путь имеет радиус около 10 кпк, и она погружена в темное гало, которое простирается до расстояний 100-150 кпк от центра системы. Темная масса Галактики раз в 10 больше массы всех звезд Млечного Пути. Примерно так же устроена Туманность Андромеды и все другие крупные галактики. Темные короны галактик - универсальный феномен природы.
Невидимую массу, заполняющую гало галактик, называют теперь темной материей. Постепенно было осознано, что ее носителями не могут быть протоны, нейтроны и электроны, то есть обычное вещество, из которого состоят Солнце и звезды, планеты и Земля и все, что на ней. Скорее всего, это массивные (в сотни раз тяжелее протона) неведомые ранее элементарные частицы, которые испытывают только гравитационное и электрослабое взаимодействие. Их поиски ведутся сейчас в ряде больших физических лабораторий. Есть надежда, что темные частицы обнаружат себя также на Большом Адроном Коллайдере, когда эта гигантская экспериментальная установка заработает на полную мощь.
В общем балансе массы/энергии Вселенной на темную материю приходится 20-25%, а на обычное вещество - не более 5%. Остальные 70-75% – темная энергия, загадочная антигравитирующая среда, открытая астрономами-наблюдателями в 1998-99 гг. Она равномерно заполняет все пространство Вселенной и, вероятнее всего, описывается эйнштейновской космологической постоянной, введенной в физику еще в 1917 г. Физическая природа темной материи и темной энергии - центральная задача всей фундаментальной физики и астрономии нового века.
Интересно, что темная энергия с ее антитяготением способна частично или даже полностью «компенсировать» тяготение темной материи и обычного вещества. Приведем только один пример, относящийся к нашему ближайшему галактическому окружению. На расстоянии примерно в 1,5 мегапарсека от центра Местной группы тяготение ее темной материи и обычного вещества точно компенсируется антитяготением, создаваемым однородным фоном темной энергии. В результате на сфере такого радиуса нет ни тяготения, ни антитяготения. Внутри сферы нулевого тяготения преобладает тяготение, а вне ее - антитяготение. Отсюда ясно, в частности, что динамический метод оценки масс в духе Эпика нуждается теперь в определенном уточнении с учетом эффекта темной энергии: без этого оценка массы темной материи в системах галактик была бы заметно заниженной.
Присутствие в мире темной энергии заставляет заново взглянуть на старые и новые проблемы космологии. Среди них особенно интересен вопрос о самых крупных образованиях во Вселенной. Давно известно, что существуют большие скопления галактик, объединяющие тысячи галактик, подобных Млечному Пути. Имеются также и сверхскопления, уплощенные образования, в которые входит обычно несколько скоплений. Их размеры достигают сотни мегапарсек. Нередко в сверхскоплениях (а также и вне их) наблюдаются цепочки галактик – филаменты, которые оказываются вытянутыми в плоскости сверхскопления. Наконец, сверхскопления разделяют огромные «пустые» объемы с размерами в те же примерно 100-150 мегапарсек, в которых практически нет галактик, – это так называемые войды.
ЯЭ первым среди астрономов обратил внимание на войды как на базовый элемент крупномасштабного устройства Вселенной. Яков Борисович Зельдович заметил важную роль сверхскоплений и войдов в физическом процессе формирования космических структур самого большого масштаба. Зельдович, ЯЭ и Сергей Федорович Шандарин (сотрудник Якова Борисовича) опубликовали в Nature в 1982 г. статью под названием «Гигантские войды во Вселенной», которая вызвала необычайно большое число откликов. Но это был только первый шаг к главной цели исследования, достижение которой потребовало еще пятнадцати лет упорного труда. В итоге тщательного анализа наблюдательного материала, многочисленных дискуссий (временами весьма острых) с коллегами в разных странах, где активно работали группы энергичных космологов (космология стала к тому времени уже почти что массовой профессией) в том же журнале в 1997 г. появилась статья ЯЭ и еще девяти авторов, которая называлась «Периодичность масштаба 120 мегапарсек в трехмерном распределении сверхскоплений галактик».
Ключевое слово здесь - периодичность. Авторы утверждают, что имеется определенного рода регулярность и повторяемость в общем устройстве мира: сверхскопления, филаменты и войды складываются в некое подобие ячеистой структуры. Это какие-то гигантские трехмерные кружева, в которых узор более или менее четко повторяется с шагом примерно в 120 мегапарсек. Конечно, ни о какой строгой симметрии типа той, что известна в кристаллических решетках, речи здесь не идет. Однако характерный масштаб в 100-150 мегапарсек определенно просматривается. Ячеистая структура с ее квазипериодичностью – феномен самого крупного космического масштаба. На ячейках обрывается иерархия космических структур, и в масштабах 300-1000 мегапарсек распределение светящегося и темного вещества Вселенной оказывается в среднем однородным.
По словам ЯЭ, «пока неясно, станет ли открытие упорядоченности в строении мира научной революцией». За последние годы в космологии сделано немало для изучения самых крупных структур, и во всяком случае новые результаты не противоречат концепции ячеистой структуры. Работа продолжается, причем одна из главных задач теперь - постараться понять, как и почему возникают космические кружева. Для этой цели группа ЯЭ ведет обширные систематические работы по компьютерному моделированию происхождения и эволюции крупномасштабных космических структур. Стоит заметить, что сложнейшие космологические расчеты с учетом космологической постоянной были впервые начаты в группе ЯЭ еще до открытия темной энергии.
Как сказал один из западных астрономов старшего поколения, «в научных спорах Яан раньше или позже оказывался прав; кажется, он будет прав и на этот раз».
За рамками этого краткого очерка, приуроченного к юбилею Яана Эльмаровича, остались его важные исследования многокомпонентных моделей галактик, его исключительно плодотворная деятельность по проектированию и строительству астрономических приборов и инструментов для Тартуской обсерватории, его успешная общественная и политическая работа в качестве одного из руководителей Эстонской академии наук, депутата парламента независимой Эстонии.
Астрономы ГАИШ МГУ желают нашему доброму другу и коллеге крепкого здоровья, новых достижений в науке. И как минимум довести до полной победы увлекательную и грандиозную концепцию ячеистой структуры мира!
А.Д. Чернин
|
Публикации с ключевыми словами:
Космология - темная материя - галактики
Публикации со словами: Космология - темная материя - галактики | |
См. также:
Все публикации на ту же тему >> | |
