История вопроса

До настоящего времени астрономы всё ещё не могут дать точный ответ на вопрос: из чего состоит наша Вселенная?

Хорошо известно, что галактики состоят из звёзд, планет, межзвездного газа и пы́ли, но... и еще из «чего-то» такого, что никак не удается зарегистрировать никакими приёмниками излучения. Эти таинственные объекты проявляют себя только гравитационными воздействиями на другие космические тела. А так как гравитация непосредственно связана с массами, то таинственные «невидимки» получили название «скрытой массы или тёмной материи».

Впервые на проблему существования скрытой массы натолкнулся ещё в 1933 году швейцарский астроном Ф. Цви́кки. Измеряя скорости движения галактик в скоплении, расположенном в созвездии Волосы Вероники, он обнаружил, что они движутся с очень высокими скоростями. Последующие вычисления показали, что для того, чтобы удержать столь «быстрые» галактики, необходима масса, значительно превосходящая (раз в десять!) общую массу скопления, о котором идёт речь. Так возник «парадокс Цви́кки», получивший впоследствии подтверждения при изучении других звёздных скоплений во Вселенной.

Для определения массы скоплений галактик в астрономии существуют два основных независимых способа:
• Один из них основан на обнаруженной астрономами зависимости между массами скоплений и скоростями собственных движений звёздных островов, которые входят в их состав. Поскольку эти скорости, а также радиусы скоплений можно достаточно точно определить с помощью астрономических наблюдений, то нетрудно вычислить и массы скоплений. Массы, определенные подобным методом, получили название «вириа́льных» по «имени» одной важной теоремы классической механики.
• Другой способ основан на том наблюдении, что массы скоплений галактик и отдельных звёздных систем, как правило, напрямую связаны с их свети́мостями. Чем выше светимость, тем больше масса. Поэтому считается, что измеряя светимости, можно довольно точно определять массы отдельных галактик и их групп.

При сопоставлении результатов измерений, полученных двумя методами между собой, оказалось, что массы скоплений, определенные по их светимостям, значительно ниже, чем их «вириальные» массы. Причем, совершенно неожиданно выяснилось, что различие составило десятки и сотни раз, что нельзя уже было отнести к погрешности измерений или ошибкам, допущенным при измерении физических характеристик изучаемых объектов!

В 1970-е годы дополнительно выяснилось, что движение галактик в скоплениях вступает и в противоречие с законами небесной механики. Более того, оказалось, что внешние области нашей Галактики обращаются вокруг её центра так же быстро, как и внутренние! Эту аномалию также можно было бы объяснить наличием скрытой массы. Если допустить, что наша звездная система полностью погружена́ в огромное массивное невидимое «облако», то все странности, связанные с вращением её составных частей, покажутся вполне закономерными.

Окончательно убедившись в реальном существовании тёмной материи, астрономы не могли не задуматься над тем, что она собой представляет. Определенная часть исследователей Вселенной допускает, что «тёмное вещество» вполне может состоять из обычных космических объектов, которые просто не удается наблюдать из-за огромных космических расстояний. Речь может идти как о планетах и астероидах, так и о не «загоревшихся» или уже остывших звездах, нейтронных звездах и даже чёрных дырах. В совокупности подобные объекты стали называть английской аббревиатурой MACHO, что значит — «массивные компактные объекты гало...», то есть объекты, которые могут располагаться в периферийных областях галактик, в том числе и нашего Млечного Пути.

Метод гравитационных линз

В 1986 году астрофизик Пристонского университета в США Б. Пачински предложил применить для поиска MACHO-объектов метод так называемых гравитационных линз.

Идея состояла в следующем. Если одно из «тёмных» массивных тел, обращающихся вокруг центра нашей Галактики, в какой-то момент окажется на пути световых лучей, идущих к Земле от одной из звезд Большого Магелланова О́блака, то гравитационное поле этого MACHO-объекта сработает как «собирающая линза». В результате видимый блеск «линзи́руемой» звезды на какое-то время значительно возрастет, а затем она возвратится в обычное состояние.

Гравитационная линза

Световые лучи от удаленного источника отклоняются притяжением «черной дыры́», поэтому астроном наблюдает два «образа» излучающей звезды́. Более яркий «образ» находится ближе к линии между звездой и наблюдателем.

В то же время ряд других физиков и астрофизиков занялись поисками пресловутой «скрытой массы» в мире элементарных частиц. В частности, некоторые физики возлагают надежды на ещё неизвестные науке (неоткрытые) тяжелые элементарные частицы с экзотическими свойствами. И хотя они ещё не обнаружены, им даже уже присвоили специальное наименование — IMP, что означает — «слабо взаимодействующие массивные частицы».

Высказывались также предположения о существовании ещё одной, на этот раз сверхлегкой ненаблюдаемой частицы — «аксиона». По оценкам некоторых исследователей, число таких частиц в каждом кубическом сантиметре пространства достигает невообразимой величины, равной ста триллионам, так что их суммарный вклад в «скрытую массу» может оказаться весьма существенным.

Аксионы пытались обнаружить в Национальной лаборатории в Ливермоле в США в штате Калифорния, но — безуспешно. Как полагают сами исследователи, для получения окончательного ответа относительно существования аксионов понадобится ещё достаточно много времени.