Теория темного диска: дебаты усиливаются
В 1932 год голландский астроном Ян Оорт (Jan Oort) считал звезды в Млечном Пути и обнаружил, что их не хватает. Исходя из того, что звезды, двигаясь по кругу в плоскости галактики, скачут вверх-вниз подобно лошадкам на карусели, Оорт подсчитал, что материи, оказывающей на них гравитационное воздействие и приводящей их в движение, должно быть в два раза больше, чем он увидел. Оорт постулировал, что недостаток восполняется скрытой «темной материей», и высказал догадку, что она сконцентрирована в диске, чем и объясняется движение звезд.
Тем не менее, открытие темной материи, как называют невидимое и неопределенное вещество, составляющее пять шестых массы Вселенной, обычно приписывают американскому астроному швейцарского происхождения Фрицу Цвики (Fritz Zwicky), который в 1933 году вывел ее существование из взаимных перемещений галактик. Оорта обошли славой на том основании, что он шел по ложному следу. К 2000 году авторы новых исследований Млечного Пути, действуя по методу Оорта, определили, что «недостающая» масса содержится в тусклых звездах, газе и пыли, и необходимость в темном диске отпала. Намеки, звучащие вот уже 80 лет, указывают на то, что темная материя, чем бы она ни являлась, образует вокруг галактик сферические облака, получившие название «гало».
Ну, по крайней мере, так говорит большинство охотников за темной материей. Но хотя концепция темного диска утратила свою популярность, полностью от нее никогда не отказывались. А в последнее время эта идея нашла важную поклонницу в лице профессора физики Гарвардского университета Лизы Рэндалл (Lisa Randall), которая вытащила теорию диска из научного забвения и выдвинула ее в центр галактической сцены.
Предложив свою модель в 2013 году, Рэндалл с коллегами с тех пор утверждает, что темный диск может объяснить гамма-лучи, идущие из центра галактики, плоское распределение карликовых галактик на орбите вокруг туманности Андромеды и Млечного Пути, и даже периодические падения комет и массовые вымирания видов на Земле. Об этом она написала в своей изданной в 2015 году научно-популярной книге Dark Matter and the Dinosaurs (Темная материя и динозавры).
Однако астрофизики, ведущие опись Млечного Пути, запротестовали, утверждая, что общая масса галактики и скачки ее звезд слишком хорошо сочетаются, не оставляя места для темного диска. «Она намного теснее, чем считает Лиза Рэндалл», — говорит астрофизик из Университета Торонто Джо Бови (Jo Bovy).
Теперь Рэндалл, разработавшая ряд крупных идей по важнейшим вопросам фундаментальной физики, наносит ответный удар. В работе, размещенной на прошлой неделе в интернете и принятой к публикации в журнале The Astrophysical Journal, Рэндалл и ее студент Эрик Крамер (Eric Kramer) в своем анализе Млечного Пути нашли лазейку в форме диска: «Существует важная деталь, на которую мы до сих пор не обращали внимания, — пишут они. — Диск может создавать пространство для самого себя».
Если через «среднюю плоскость» галактики действительно проходит темный диск, утверждают Рэндалл и Крамер, тогда он силой тяготения стягивает остальную материю внутрь, что ведет к повышению плотности звезд, газа и пыли в средней плоскости. Ученые обычно высчитывают общую видимую массу Млечного Пути методом экстраполяции вовне на основе плотности средней плоскости. Если же существует стягивающий эффект, эта экстраполяция приведет к преувеличению видимой массы, и тогда возникнет ощущение, что масса соответствует движению звезд. «По этой причине авторы предыдущих исследований не видели свидетельств существования темного диска», — говорит Крамер. Вместе с Рэндалл они считают, что тонкий темный диск возможен, и что в некотором смысле его присутствие предпочтительнее, чем отсутствие.
«Работа Лизы возродила это дело», — говорит Крис Флинн (Chris Flynn) из Технологического университета Суинберна, что в австралийском Мельбурне. Он вместе с Йоханом Холмбергом (Johan Holmberg) в начале 2000-х провел несколько «инвентаризаций» Млечного Пути, которые, казалось, начисто уничтожили все возможности для существования темного диска.
Бови с этим не согласен. Даже если принять во внимание стягивающий эффект, по его оценке, в темном диске может находиться не более 2% общего количества темной материи, в то время как остальная материя должна формировать гало. «Я думаю, большинство людей хочет выяснить, что такое 98% темной материи, а не 2%», — говорит он.
Эти дебаты, как и судьба темного диска, могут скоро найти свое разрешение. Спутник Gaia Европейского космического агентства при помощи телескопа в настоящее время обследует положение и скорости миллиарда звезд, и окончательный реестр Млечного Пути может быть составлен уже к концу следующего лета.