Нил Тайсон - Добро пожаловать во Вселенную

85

ЧАСТЬ II. Галактики других галактик, что наводит на мысль, что и у них есть обширные гало темного вещества. Таким образом, мы предполагаем, что гало темного вещества у галактик распространяются почти до полпути к соседней галактике

(иначе гало перекрывались бы). Тогда давайте посчитаем. Скорость вращения, не зависящая от радиуса, у Млечного Пути составляет 220 километров в секунду. Ближайшая крупная галактика — Андромеда — находится в

2 миллионах световых лет от нас. На основании этих данных и выражения для массы, которое вы вывели в части а), вычислите верхний предел общей массы Млечного Пути. Ответ выразите в массах Солнца. Подсказка: вероятно, стоит применить подход, описанный в главе 12 «Большого космического путешествия», и масштабировать известную вам скорость орбитального движения Земли вокруг Солнца и радиус ее орбиты.

77. На орбите вокруг Галактики

Большое Магелланово облако (БМО) — маленькая и близкая галактика, которая вращается по орбите вокруг Млечного Пути. Она находится на расстоянии 150 000 световых лет от центра Млечного Пути. Ее собственное движение, то есть движение на фоне звезд, составляет, по данным недавних измерений, 1 10–3 угловых секунд в год.

77. аВычислите скорость движения БМО по орбите в километрах в секунду. Можете предположить, что орбита БМО круглая, а Солнце находится в центре Млечного Пути.

77. bНайдите, за какое время (в годах) БМО совершает один оборот вокруг Млечного Пути. Подсказка: это можно сделать, и не опираясь на ответ к части а).

77. сВычислите массу Млечного Пути вплоть до радиуса орбиты БМО

с учетом полученных данных; результат выразите в массах Солнца. Подсказка: возьмите за масштаб радиус, на котором Солнце вращается вокруг центра Млечного Пути.

86

11—13. Млечный Путь и Вселенная галактик

78. Как обнаружить темное вещество

Задача повышенной сложности.

В этой задаче вас просят сконструировать детектор темного вещества.

В работе мы будем исходить из предположения, что темное вещество —

представляет собой слабовзаимодействующие массивные частицы ( weakly interacting massive particles , то есть WIMPs («слабаки») — ученые и вправду называют их вимпами!). То есть это еще не открытая элементарная частица.

Мы задействуем свои знания об орбите Солнца вокруг Млечного Пути, чтобы оценить, сколько вокруг нас вимпов, и оценим, насколько часто одна из этих частиц будет взаимодействовать с атомами в особом детекторе.

Как мы знаем, Солнце вращается по орбите вокруг центра Млечного

Пути со скоростью около 220 километров в секунду. Считается, что темное вещество не движется по правильной круглой орбите, в отличие от Солнца, а перемещается хаотически, примерно как атомы в газе. Так что мимо нас должен дуть «ветер» из темного вещества со скоростью 220 километров в секунду — подобно тому, как ощутишь ветер, если высунешь голову из машины, мчащейся по шоссе.

Далее, темное вещество потому и темное , что не взаимодействует с обычным веществом. Но, в сущности, все элементарные частицы, о которых мы знаем или существование которых предполагаем, так или иначе вступают во взаимодействия, и многие гипотетические кандидаты в темное вещество должны вступать во взаимодействие, хотя бы слабое (что следует хотя бы из самого названия WIMP ). Сила взаимодействия количественно оценивается через сечение, которое обозначают греческой буквой и выражают в единицах площади. Полезно представить себе для наглядности, что частица — это маленькая сфера с площадью сечения, движущаяся в пространстве. Если при движении частица натыкается на протон или нейтрон в ядре какого-нибудь атома, она с ними взаимодействует. Тогда в силу эффекта отдачи ядро изменить свое энергетическое состояние, и мы сможем зарегистрировать и задокументировать наблюдающуюся при этом вспышку

87

ЧАСТЬ II. Галактики света. Чем больше, тем вероятнее, что частица столкнется в детекторе с каким-нибудь атомом.

С учетом всего этого для регистрации частиц темного вещества можно выстроить большие цистерны высокоочищенного прозрачного вещества, которое с большой вероятностью будет взаимодействовать с вимпами. Затем останется только ждать взаимодействия.

В ответах на вопросы этой задачи достаточно грубых приближений с точностью до одной значащей цифры, поскольку мы делаем некоторые предположения для простоты, которые не позволяют нам достигать большей точности.