Книга Астрофизика начинающим: как понять Вселенную - Грегори Мон

Издалека скопление Кома выглядит очень скученным: тысячи галактик обращаются по своим орбитам вокруг его центра, и наблюдателю кажется, что они роятся там, как пчелы вокруг улья.

Галактики удерживаются в этом скоплении силой тяготения – именно она не дает им разлететься в разные стороны. Цвикки измерил силу гравитационного поля внутри скопления, наблюдая движения нескольких десятков относящихся к нему галактик.

Что-то в этих измерениях было не так.

В этой группе галактик, называемой скоплением Кома, астрофизик Фриц Цвикки впервые обнаружил доказательства существования загадочной темной материи.

Сила тяготения оказалась слишком велика. Цвикки сложил массы всех галактик скопления, и все-таки, хотя Кома считается одним из самых больших и массивных галактических скоплений во Вселенной, этой суммарной массы не хватило, чтобы оправдать столь сильное тяготение. Чтобы все наблюдаемые галактики не разлетались, массы требовалось гораздо больше, чем ее получалось зафиксировать.

В скоплении должно было быть что-то еще.

Что-то, чего мы не видим.

Теперь вы понимаете, почему мы называем эти галактики спиральными? В галактике, которую вы видите на фото, может содержаться около триллиона звезд.

После Цвикки астрофизики открыли много других галактических скоплений, в которых происходило то же самое. «Скрытая масса» так и остается самой старой неразгаданной тайной в астрофизике.

Правда, в наше время этому неизвестному фактору дали новое название – темная материя.

Когда я был мальчиком, я жил в одном из двух стоявших рядом многоквартирных домов. Мой близкий друг и одноклассник по начальной школе обитал во втором доме. Он научил меня играть в шахматы, покер и в настольные игры «Риск» и «Монополия». Но, что было еще важнее, он показал мне, как пользоваться биноклем, наводить его на Луну и звезды. Потом я сменил бинокль на телескоп и стал наблюдать звезды уже не с крыши дома, а из обсерваторий, расположенных в пустыне или посреди моря. Я полюбил великолепные космические картины, рассыпанные по ночному небу.

Но астрофизик должен думать не только о том, что мы видим. Он занимается и тем, чего мы не видим.

Фриц Цвикки нашел свидетельство присутствия невидимой материи в скоплениях или группах галактик. Спустя много лет, в 1976 году, Вера Рубин, астрофизик из Института естественных наук Карнеги в Вашингтоне, обнаружила скрытую массу и в самих галактиках. Она исследовала спиральные галактики – плоские, дискообразные скопления звезд с яркой сферической выпуклостью в центре и несколькими простирающимися во все стороны спиральными ветвями, полными звезд. Рубин проследила скорости движения этих звезд вокруг центров галактик.

Поначалу она увидела именно то, чего и ожидала. Звезды, более далекие от центра галактики, крепко удерживаемые силой тяготения, обращались вокруг него быстрее, чем те, что были ближе к нему.

Но Рубин наблюдала и области, значительно удаленные от галактического диска. Там гораздо меньше ярких звезд и одинокие облака газа. Так как между этими объектами и внешним краем диска совсем мало видимого вещества, ничего не могло крепко привязывать их к остальной массе вращающейся галактики. Их скорость должна была бы убывать с ростом расстояния от центра звездного города. Но по какой-то непонятной причине на деле их скорость оставалась высокой.

Рубин справедливо рассудила, что в удаленных областях галактик должна находиться какая-то форма скрытой, темной материи, простирающаяся далеко за пределы видимого внешнего края спирального диска, которая и притягивает периферийные объекты, заставляя их двигаться быстрее. Вслед за Верой Рубин мы теперь называем эти таинственные зоны темными гало.

Исследование таких темных гало, как это, позволило астрофизику Вере Рубин найти новые доказательства существования «скрытой массы» в космосе.

Такое гало находится и буквально у нас под носом – в нашем родном Млечном Пути. Какую бы галактику, какое бы скопление галактик мы ни взяли, всюду различие между суммарной массой вещества, которое мы видим, и массой, должной там присутствовать, судя по величине силы притяжения, оказывается огромным. Космическая темная материя вызывает примерно вшестеро бóльшую гравитацию, чем все видимое вещество. Другими словами, темной материи вшестеро больше, чем обычной.

В погоне за темной материей

Девочкой Вера Рубин смотрела на звезды из окна своей спальни. Потом она смастерила из картонной трубки свой первый телескоп. Она рано нашла призвание. После окончания колледжа она захотела получить ученую степень по астрофизике в Принстонском университете, но ей ответили, что на эту программу женщин не принимают, что ее не остановило. Вера Рубин написала диссертацию в другом университете. Ее исследования спиральных галактик позволили ей доказать, что темная материя действительно существует. Многие считают, что за свою работу Рубин следовало дать Нобелевскую премию. В конце концов, главная научная награда должна присуждаться за открытия, а разве может что-нибудь сравниться с открытием темной материи – загадочной субстанции, которая скрепляет галактики?

Так что же такое темная материя?

Мы знаем, что она не может быть обычным веществом из протонов, нейтронов и прочих частиц. Черные дыры и другие космические диковины тоже не годятся. Может, это просто астероиды или кометы? Черные планеты, не связанные ни с какими звездами, странствующие в безднах космоса? У них у всех есть масса, а света они не излучают. Наши приемники их почувствовать не могут. В этом смысле они вполне подходят. Но тогда их должно быть слишком много, а значит, от идеи миллионов планет-бродяг тоже придется отказаться.

Мы знаем, и что темная материя не может состоять из тех же частиц, что и планеты, люди или гамбургеры, потому что, по-видимому, она не подчиняется тем законам, которым следуют они. Силы, связывающие частицы нашего обычного мира, не действуют на темную материю. Единственный закон, которому темная материя, по-видимому, подчиняется, – это закон тяготения.

А может, нет вообще никакой темной материи, а мы просто не понимаем, что такое тяготение? Может, Ньютон ошибался. И Эйнштейн тоже. Может, это ты, читатель, проезжая мимо яблоневого сада в своей самоуправляющейся роботизированной машине, однажды наконец поймешь, как на деле работает гравитация. Но, пока такого не случилось, нам придется иметь дело с теми фактами, которые у нас есть. И главное, что мы понимаем, – это что темная материя не просто темное с виду вещество.