Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Глава 11-1-6
Проблема недостающей массы

В 1936 году, американский астроном Синклер Смит получил похожий результат для другого скопления галактик — Девы: средняя масса одной входящей в состав галактики составляла, по его расчётам, 2⋅10¹¹M_ʘ, что на 2 порядка превышало оценку, сделанную несколько ранее Э. Хабблом. Однако, как и Цвикки, работу которого он, кстати, также цитировал, Смит объяснял данный парадокс присутствием в скоплении большого количества межгалактического вещества, либо однородно распределённого в пределах скопления, либо образовавшего гигантские слабосветящиеся облака вокруг галактик. Между тем, астрономическое сообщество в тот период было настроено относительно гипотезы о тёмной материи довольно скептически, хотя и признавало существование проблемы недостающей массы.

Вскоре возникла проблема с распределением масс и отношением масса/светимость для спиральных галактик, полученных по кривым их вращения. В 1939 году американец Хорес Бэбкок опубликовал в своей диссертации подробную кривую вращения галактики туманность Андромеды — скорость вращения звёзд вокруг её центра не уменьшалась, как предсказывала небесная механика, обратно пропорционально R, а оставалась почти постоянной.

Бэбкок заключал, что это предполагало наличие значительной массы невидимого вещества во внешних областях галактики M 31, однако могло быть объяснено и сильным поглощением частицами пыли.

Годом позже Ян Оорт, проанализировав кривую вращения галактики NGC 3115, также получил аномально высокое отношение масса/светимость для внешних областей (~ 250), и это не соответствовало теоретической картине, предполагавшей, что вся масса галактики заключена в её звездах.

Бэбкок заключал, что это предполагало наличие значительной массы невидимого вещества во внешних областях галактики M 31, однако могло быть объяснено и сильным поглощением частицами пыли. Годом позже Ян Оорт, проанализировав кривую вращения галактики NGC 3115, также получил аномально высокое отношение масса/светимость для внешних областей (~ 250), и это не соответствовало теоретической картине, предполагавшей, что вся масса галактики заключена в её звездах.

И Бэбкок, и Оорт отметили важность исследования кривых вращения внешних областей галактик, однако их результаты не привлекли в то время внимания, как, впрочем, и результаты Цвикки и Смита, что, по крайней мере отчасти, вероятно, было связано с начавшейся в 1939 году Второй мировой войной.

Глава 11-1-7
Радиоизлучение

Но с другой стороны, война способствовала бурному прогрессу наблюдательных средств радиоастрономии — они дали возможность регистрировать 21-сантиметровую линию излучения атомарного водорода, определяя его присутствие в межзвёздных облаках и скорость движения. Большую роль в этом снова сыграл Ян Оорт. Его студент Хенрик ван де Хюлст из Утрехтского университета в 1957 году первым получил таким методом кривую вращения галактики M 31, обнаружив, что источник радиоизлучения в ней простирается на расстояние до 30 кпк от центра, то есть далеко за пределы оптически видимого диска, и в этой внешней области отношение масса/светимость составляло порядка 20. Это расходилось с результатом M/L ~ 2 для центральной области диска, опубликованным незадолго до этого, и получалось, что в отличие от внутренней видимой области, где распределение масс примерно совпадало со светящимся веществом, во внешнем гало невидимой, но оказывающей гравитационное воздействие материи было гораздо больше.

Проводимые в это время радионаблюдения галактики M 31 выявили также, что она сближается с нашей, а поскольку это сближение вызвано силами взаимного притяжения, можно было количественно оценить их суммарную массу, что было выполнено в 1959 году немецко-британским астрофизиком Францем Каном и другим известным голландским учеником Яна Оорта Лодевийком Вольтером. Они получили величину ~1,5⋅10¹²M_ʘ, в 6 раз большую, чем сумма отдельных значений, считавшихся тогда массами Млечного пути (~ 4⋅10¹¹M_ʘ) и M 31 (~ 1⋅10¹¹M_ʘ), и заключили, что эта недостающая материя существует в виде гало из горячего (~ 10⁵K) газа, окружающих галактики.