Лекции по теории гравитации - Вергелес С.Н.
Скачать (прямая ссылка):
Из сказанного ранее видно, что вопрос о количестве и природе скрытой массы стоит очень остро. В настоящее время считается, что скрытая масса - это не газ. Оценки массы горячего ионизированного газа в скоплениях галактик по его рентгеновскому излучению показывают, что эта масса составляет всего лишь около 10% динамической массы скоплений, то есть масса горячего газа того же порядка, что и наблюдаемая масса, заключенная в галактиках. Оценки массы нейтрального водорода в галактиках, выполненные радиоастрономическими методами по наблюдениям в линии 21 см, также отвергают газ как носитель скрытой массы.
В настоящее время в качестве носителей скрытой массы рассматриваются два класса объектов. Первый класс предсказывается теорией эволюции звезд и представляет собой небесные тела, состоящие в основном из барионной формы материи (сильно взаимодействующих элементарных частиц с полуцелым спином - в основном нейтронов) и называются MACHO (Massive Astrophysical Compact Halo Objects). Этот класс объектов включает в себя маломассивные (М <0,1 M0, где Mq - масса Солнца) и потому слабо светящиеся звезды, так называемые коричневые карлики (звезды с массой менее 0,08 M0, в недрах которых никогда не зажигаются термоядерные реакции), белые карлики (остывшие звезды с массой порядка Mq), планеты с массами от Ю-5 до IO-3M0, нейтронные звезды в неактивной стадии (без феномена пульсара) и черные дыры.
M
Rv2 G
171 Второй класс объектов предсказывается теорией образования Вселенной (инфляционная стадия и горячая стадия - Большой взрыв), которая предсказывает рождение на ранних стадиях образования Вселенной очень слабо взаимодействующих элементарных частиц, так называемых WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), например, нейтрино, а также более экзотические элементарные частицы. Из теории нуклеосинтеза на ранних стадиях образования Вселенной доля средней плотности барионной компоненты вещества во Вселенной по отношению к средней плотности небарионной компоненты (WIMPs) составляет всего ~ 0,04. В то же время доля средней плотности видимого вещества по отношению к полной средней плотности Вселенной должна составлять лишь ~ 0,002. Однако окончательный ответ на вопрос о том, из чего состоит скрытая масса, должны дать наблюдения.
Как наблюдать скрытую массу? Мы опишем метод, использующий так называемый эффект микролинзирования. Этот метод с начала девяностых годов успешно используется для наблюдения несветящихся тел MACHO нашей Галактики с массами от 10~8 до IO2 Mq : нейтронных звезд, черных дыр, коричневых карликов и космических тел вплоть до тел с массой Юпитера и меньше. Идея этого метода была предложена польским ученым Б. Пачинским, работающим в США, в 1986 году. Этот метод оказался весьма плодотворным.
Согласно методу Пачинского, Галактика обладает сферической подсистемой (гало), которая заполнена несветящимися телами МАСНО. Число этих темных тел в гало Галактики должно быть весьма велико, так что вероятность того, что звезда ближайшей галактики (например, Большого Магелланово го облака - БМО) почти точно спроектируется на темное тело, составляет порядка 10_6. Такое событие назовем "вспышкой" этой звезды. Хотя эта вероятность очень мала, но если наблюдать одновременно миллионы звезд БМО с помощью панорамных приемников излучения (фотопластинка, ПЗС-матрица), то можно надеяться достаточно часто регистрировать "вспышки" звезд. Ниже показано, что слово "вспышка" на самом деле следует писать без кавычек, так как указанное событие действительно сопровождается вспышкой звезды. По длительности и частоте таких событий можно судить о вкладе темных тел гало Галактики в полную массу невидимого вещества. Эта наблюдательная задача была поставлена Б. Пачинским, и ее решение несколькими
172 группами ученых привело в конце девяностых годов к определению параметров конкретных темных тел гало Галактики. Объясним эффект микролинзирования.
Рис. 3
Рассмотрим основные закономерности создания изображений в гравитационной линзе - теле, создающем сферически-симметричное гравитационное поле. На рис. 3 буквой D обозначена гравитационная линза (или, как ее еще называют, дефлектор), S - звезда фона, буквой О отмечено положение наблюдателя. Звезда 5, дефлектор D и наблюдатель О находятся в плоскости рисунка. Угол между направлениями на звезду и на дефлектор обозначен (—0), так что в < 0. Два луча, прошедшие по разные стороны от массивного тела D. будут отклонены от первоначальных направлений. Если звезда S находится достаточно далеко от дефлектора D, то лучи начнут сходиться и пересекутся в некоторой точке О, куда помещен наблюдатель. Ломаные SFiO и SF2O изображают лучи, испущенные звездой, отклоненные дефлектором и зарегистрированные наблюдателем. Поэтому наблюдатель в принципе видит два изображения
173 звезды 5, называемые "духами" и обозначенные буквами 1\ и I2. Углы между направлениями на звезду 5 и на "духи" I\ и I2 обозначаются через 6j и (-?)- Угол S отклонения луча света звезды S в гравитационном поле дефлектора равен IrgIp1 где гд -гравитационный радиус дефлектора, а р - прицельное расстояние (см. (19.16)). В нашем случае
