Текст книги "Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса"
Автор книги: Йостейн Кристиансен
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 15 страниц)
1.2. Небесная иерархия
У большинства из нас имеются представления о размерах Земли. Поездка от Осло до Тронхейма на машине занимает примерно семь часов, и такое расстояние составляет где-то одну сотую от длины экватора Земли. Таким образом, путешествие вокруг Земли с такой же скоростью займет месяц без остановок. А до Луны – почти год. То есть время в пути до нашего ближайшего астрономического соседа примерно равно затянувшемуся отпуску и неторопливому путешествию на машине.
А вот до Солнца, к примеру, на машине добраться сложнее, даже если в нашем распоряжении будет целая человеческая жизнь: при такой скорости нам понадобится больше 200 лет. Чтобы получить представление о расстояниях, мы создадим модель, в которой мы и Солнечная система уменьшимся в 10 миллиардов раз.
В такой модели диаметр Земли будет немного больше миллиметра – размером с песчинку. Эта песчинка находится в 15 метрах от Солнца. А Солнце со своими значительными 14 сантиметрами в диаметре будет размером с кокосовый орех. И вот мы вращаемся на песчинке в 15 метрах от кокосового ореха. Между нами и Солнцем есть еще две песчинки: Венера и Меркурий. А помимо этого – пустота.
Солнечная система на Земле не заканчивается. Самая большая планета, Юпитер, превратится в нашей модели в маленький фундук диаметром 1,4 сантиметра, расположенный на расстоянии 78 метров от Солнца – кокосового ореха. Самая крайняя планета, Нептун, станет горошиной примерно в полукилометре от Солнца, далеко, очень далеко от песчинки – Земли. Если нам захочется добраться до Нептуна, то поездка на машине с прежней скоростью теперь займет больше 9000 лет.
Ближайшая к Солнцу звезда – Проксима Кентавра. Она немного меньше Солнца, и если Солнце – это кокосовый орех в Осло, то Проксиму Кентавра можно сравнить с грецким орехом в Сахаре. На таких расстояниях и рассредоточены звезды: кокосовый орех в Осло, грецкий орех в Сахаре, парочка манго в Судане, мандарин в Китае и так далее. Мы знаем, что у многих звезд есть свои планеты-песчинки, обращающиеся на расстоянии нескольких метров. Но в остальном – пустота.
Несмотря на эти астрономические расстояния между одиночными звездами, все звезды на ночном небе – часть нашей Галактики, то есть Млечного Пути. Если вы хорошо видите в темноте и у вас имеется темное местечко для наблюдений, то вы увидите примерно 5000 звезд, что ничтожно мало по сравнению с их общим количеством в Млечном Пути. В целом считается, что наша Галактика состоит из 300 миллиардов звезд. Звезд так же много, как сахаринок в 60 тоннах сахара. Звезды в Млечном Пути вращаются в галактическом диске, который сохраняет свою форму благодаря силе тяжести. Если учесть, что звезды достаточно многочисленны и, как мы убедились, располагаются на достаточно большом расстоянии друг от друга, то масштабы Млечного Пути вполне можно осмыслить. В нашей модели с Солнцем – кокосовым орехом в Осло и песчинкой – Землей в 15 метрах от него мы можем представить, что один конец Млечного Пути находится у кокосового ореха. Тогда уменьшенная в 10 миллиардов раз Галактика растянется на половину реального расстояния от Земли до Солнца. Огромное расстояние, хотя мы его и уменьшили.
Млечный Путь, в свою очередь, – лишь одна из непостижимого множества галактик. В той части Вселенной, которую мы имеем возможность изучать, насчитывается примерно столько же галактик, сколько звезд в Млечном Пути. Эти галактики распределены в пространстве не равномерно, а собраны в структуры, называемые группами и скоплениями галактик. Группы из скоплений галактик называются сверхскоплениями, а сами сверхскопления тоже образуют структуры, они имеют тенденцию к сбору в большие галактические нити, называемые «великие стены».
В той части Вселенной, за которой мы можем наблюдать, находится очень много сверхскоплений галактик. Одно из них – сверхскопление Девы. Оно содержит в себе десятки тысяч галактик. Одна из этих галактик – Млечный Путь – вращающийся диск с несколькими сотнями миллиардов звезд. И вокруг одного довольно обычного представителя этих звезд, Солнца, обращается небольшая планета-песчинка. На этой планете сидим мы и разглядываем Вселенную – сцену, где расширяются темная материя и темная энергия.
И что же мы видим с нашей планеты-песчинки? Как я уже упоминал, 70 процентов Вселенной составляет темная энергия, а 25 – темная материя. Пока что мы ненадолго оставим темную энергию и ее невероятную отталкивающую гравитацию и более интенсивно поищем темную материю. А заодно получше познакомимся с нашей Вселенной и законами физики, которые всё и связывают. Так мы подготовимся к тому, чтобы связать воедино нашу картину Вселенной с темной энергий во второй части книги.
2. Темная материя
Астрономы напали на след темной материи еще в 1930-х годах. Но большинство считало гипотезу о существовании большого количества невидимой материи притянутой за уши, и серьезно относиться к темной материи начали лишь спустя много лет, когда новые телескопы и техника произвели революцию в наших наблюдениях за Вселенной. И мало-помалу стало очевидно, что темную материю стоит взять на вооружение, хотя астрономы и сейчас не в восторге от идеи о том, что во Вселенной существует огромное количество невидимого вещества.
В этой главе мы разгадаем головоломку о том, как темная материя все-таки проникла в нашу стандартную картину Вселенной, и посмотрим, почему сейчас так сложно отрицать ее существование. Мы начнем с относительно недавних событий, когда в 2006 году столкновение скоплений галактик изящно разоблачило темную материю.
2.1. Когда скопления галактик сталкиваются
Скопление галактик Нуля (Bullet Cluster) иллюстрирует столкновение двух скоплений галактик. Розовые участки показывают рентгеновское излучение от обычной материи. Синие участки показывают распределение массы, основываясь на гравитационном линзировании галактик.
Эта фотография была сделана в 2006 году, и с тех самых пор астрономы на нее почти молятся.
(Изображение основано на данных из следующей революционной статьи, где впервые вычисляется распределение массы на основе гравитационного линзирования: «А Direct Empirical Proof of the Existence of Dark Matter».)
В этих синих и розовых точках раскрывается то, что мы по большей части и считаем темной материей. Что же вы видим на этом изображении?
В центре моментального снимка одна из жесточайших встреч в космосе: столкновение двух скоплений галактик, которое продолжалось в течение сотен миллионов лет. Изображенное здесь столкновение известно под названием Пуля (англ. Bullet Cluster) из-за похожего на пулю образования справа.
Скопление галактик – это, как мы уже поняли, система связанных друг с другом галактик. Галактики в скоплении притягивают друг друга благодаря силе тяжести, поэтому скопления, как и планеты Солнечной системы, остаются на месте и не разлетаются. Галактики кружатся друг вокруг друга, как комары над рыбаком, и, подобно тому, как рой комаров перемещается от одного рыбака к другому, скопления галактик двигаются в космическом пространстве. Иногда эти космические рои комаров сталкиваются. В случае со скоплением галактик Пуля два скопления сталкиваются со скоростью 2500 км/с – это все равно, что за секунду переместиться из Франции в Норвегию.
Что происходит во время таких столкновений? И зависит ли это от того, из чего они состоят? Помните то обычное видимое яблоко Ньютона? Ученого больше всего занимало, что происходило с яблоком, пока оно находилось в воздухе, а сила тяжести тянула его вниз. Но, наверно, самое захватывающее происходит, когда яблоко с глухим стуком ударяется о землю и останавливается. Оно сталкивается с землей, и, несмотря на то что сила тяжести продолжает воздействовать на яблоко, фрукт неподвижно лежит на траве. Это происходит, потому что яблоко состоит из обычной материи. Если мы заменим обычное яблоко на яблоко из темной материи, оно пройдет сквозь земной шар без столкновения.
То же самое происходит и когда сталкиваются скопления галактик. Если скопления состоят из обычной материи, то они сталкиваются и замедляют движение друг друга. А вот если скопления состоят из темной материи, то они беспрепятственно проходят сквозь друг друга, прямо как яблоко из темной материи беспрепятственно прошло сквозь Землю. Это теория. А сравнить с реальностью можно благодаря скоплению Пуля.
Если мы направим большой телескоп на скопление Пуля, то увидим желтые звезды и галактики, показанные на рисунке. Однако больших розовых и синих точек мы не увидим. Эти цвета были наложены на изображение позже. Что же нам показывают розовые и синие пятна?
Начнем с розовой части. Розовые точки отображают рентгеновские излучения, замеченные благодаря космическому телескопу «Чандра». Рентгеновское излучение – это еще один тип сверхсильного излучения, которое образуется во время мощных столкновений. Скопления галактик, помимо непосредственно галактик, содержат большое количество межгалактического газа. В скоплении галактик Пуля рентгеновское излучение образуется, когда два скопления встречаются и сталкиваются. Розовые точки также свидетельствуют о столкнувшихся газах. Темная материя не сталкивается, поэтому розовый цвет показывает нам лишь следы обычной видимой материи в скоплении галактик.
В скоплении галактик Пуля сталкиваются два скопления разных размеров. Меньшее скопление слева – небольшие, заостренные точки правее от середины – уже влилось в значительную часть более крупного скопления. Заостренные формы можно сравнить с волнами, которые образуются вокруг носа лодки, врезающейся в воду, с одним лишь отличием – волны от маленького скопления галактик будут протягиваться на много сотен тысяч световых лет. Световой год – это обозначение расстояния, которое свет может преодолеть за год, и если учесть, что свет двигается настолько быстро, что за секунду может обогнуть Землю более семи раз, то световой год – это весьма большое расстояние, не говоря уже о сотне тысяч световых лет, что является протяженностью маленького скопления галактик.
Пока все сходится. Два скопления галактик встречаются, газы сталкиваются и испускают рентгеновское излучение, которое ясно показывает, насколько большие были скорости и размеры. Розовые области отображают обычную сталкивающуюся материю.
Но что такое синие точки? Синие участки показывают, где находится большая часть материи – как видимой, так и невидимой. Таким образом, синие точки представляют собой карту массы Пули, в то время как розовые точки показывают видимое вещество в форме сталкивающегося газа. По краям синих точек заметно больше, чем розовых. Или, иначе говоря, основная часть материи в скоплении галактик Пуля находится вовсе не в месте скопления видимого газа. Как же это объяснить?
Давайте представим, что два сталкивающихся скопления галактик состоят из двух частей: одна часть из обычной сталкивающейся материи, а другая – гораздо массивнее – из несталки– вающейся темной материи. Что случится, когда два скопления обрушатся друг на друга? Да, во время столкновения обычная материя столкнется и сильно замедлится. А темная материя не сталкивается и пройдет без изменений через столкновение. И именно это нам и показывают синие точки. Розовые области демонстрируют сталкивающуюся обычную материю, в то время как синий цвет указывает на части скопления галактик, которые не столкнулись, то есть темную материю.
Но как же «увидеть» невидимую материю? Как нам удалось нарисовать синие точки? Секрет заключается в технике с красивым названием – гравитационное линзирование. Солянка из космических линз.
Гравитационное линзирование. Все просто: гравитация, или сила тяжести, может использоваться как космическая суперлинза. Каким образом?
Мы привыкли к тому, что сила тяжести меняет маршрут материи. Если вы пнете футбольный мяч и он полетит под углом вверх, то сила тяжести рано или поздно изменит траекторию мяча так, что он повернется и упадет на землю. Изменения в направлении света для нас также не новость. Например, мы используем стеклянные линзы для создания очков, увеличительных луп и микроскопов. Но сила тяжести абсолютно так же влияет на траекторию света. Это явление впервые описано Эйнштейном в начале XX века в рамках теории относительности и с тех пор изучено в ряде экспериментов.
Немногие – скорее, вообще никто – замечают игру гравитационной линзы со зрительным восприятием по дороге на работу или обратно. Причина этому достаточно простая: явление совершенно незаметно, если только мы не наблюдаем за огромными расстояниями и мощной силой тяжести. Если мы, например, переключим внимание с Земли на скопления галактик и большое количество материи, то увидим как невероятные расстояния, так и большое количество материи, которые, в свою очередь, создают сильнейшую гравитацию. Тогда и можно наблюдать гравитационное линзирование.
Вы когда-нибудь смотрели на свечу сквозь основание ножки винного бокала? Помните же, как причудливо изгибается и искажается пламя. Пламя искажается, а степень искажения зависит от формы ножки. Искажение пламени свечи в этом случае очень напоминает искажение света в гравитационной линзе.
Скопление галактик в этом случае заменяет ножку бокала. Отдаленные галактики за скоплением галактик выступают в качестве свечи. Форма далеких галактик будет искажаться при прохождении света через скопление галактик. Из-за этого искажения свет принимает дугообразные и округлые формы, а галактики видно одновременно в нескольких местах на небе. Чем больше материи в скоплении галактик, тем сильнее действует сила тяжести и тем сильнее будет искажено изображение отдаленных галактик. Изучая форму далеких галактик, видимых через разные части скопления галактик, мы можем таким образом создать карту распределения вещества в скоплении галактик. На этой карте будет также отражена и темная материя, поскольку она создает гравитационную силу.
Скопление галактик Abell 2218 – красивый пример гравитационного линзирования. Длинные дуги – это свет от лежащих позади галактик, сгибаемый гравитацией Abell 2218.
На этом снимке изображено скопление галактик Abell 2218 – одна из самых красивых из известных нам систем гравитационных линз. Все тонкие арки, которые вы видите на картинке, представляют собой далекие галактики, где свет был повернут силами гравитации. Когда смотришь на скопление галактик на заднем плане, то благодаря гравитационным силам ощущение такое, будто разглядываешь празднично освещенную рождественскую елку через бокал красного вина. То, насколько изгибаются отдаленные галактики, позволяет определить количество вещества в скоплении.
И хотя скопление Пуля не может предоставить такие же арки их линз, как Abell 2218, мы все же в состоянии найти достаточно искаженных галактик, чтобы определить, сколько вещества находится в разных местах скопления. Именно это и стало основанием для синих пятен, выявляющих темную материю.
Доказывает ли скопление Пуля существование темной материи?
Гравитационное линзирование – очень мощный инструмент, позволяющий примерно рассчитать массу скопления галактик. Уникальная особенность скопления галактик Пуля – это мощное столкновение, которое разделило обычную и темную материю так, что они находятся в разных местах.
Было бы тяжело наблюдать за Пулей без упоминания темной материи. Рассуждения соблазнительно просты – так и тянет сразу сказать, что это скопление галактик дает нам неоспоримое доказательство существования темной материи.
На самом деле все наши рассуждения очень упрощены. Я писал, что газ в скоплении галактик сталкивается и останавливается в области столкновения. Но скопления галактик состоят не только из газа, а как минимум еще и из бесчисленных галактик с миллиардами звезд. Какова вероятность того, что при этом столкнутся две галактики? А если они столкнутся, то что? Мы уже поняли, какое расстояние между звездами в нашей галактике: кокос в Осло, грецкий орех в Сахаре и так далее. Следовательно, при столкновении галактик звезды расположатся на безопасном расстоянии друг от друга. На звезды и галактики действительно будут взаимно влиять гравитационные силы, и поэтому они начнут двигаться в новых направлениях и с новыми скоростями, однако никакого космического фейерверка не произойдет.
Возможно, галактики и звезды из двух скоплений проходят друг через друга и создают синие поля. Тогда при чем здесь темная материя? К сожалению, не все так просто. Если принять во внимание, что скопления галактик состоят из огромного количества звезд, сложно толковать изображение Пули без темной материи.
Но все же стоит помнить, что скопление галактик Пуля, несмотря на столь умно расположенные розовые и синие точки, не предоставляет нам никакого окончательного и достоверного доказательства существования темной материи. Ведь, как уже говорилось ранее, чтобы утверждать существование огромного количества необычной темной материи, нужно необычайно надежное доказательство. Недостаточно просто посмотреть на одно или парочку столкновений галактик: темную материю, скорее, стоит искать во множестве мест и при помощи множества наблюдательных техник. И уже впоследствии исключить возможность всех альтернативных объяснений. Например, саму темную материю мы не видим, а только ее воздействие на силу тяжести. Может, ошибается наш закон всемирного тяготения? И если темная материя существует, не должен ли он ее объяснять? Темная материя тоже состоит из маленьких частиц, как и все известные нам материи? И что же это тогда за частицы?
Вопросов много, а Пуля – лишь маленький кусочек пазла о темной материи, к которому на протяжении этой книги мы добавим еще немало других кусков.
Осознав, насколько необъяснимо огромное количество темной материи находится во Вселенной, начинаешь задумываться: а что мы вообще знаем про обычную, объяснимую материю? Как можно с уверенностью говорить о веществе, из которого состоят звезды и галактики, если они находятся за пределами нашего осязания?
2.2. Старый кофе и французская философия
Утро. Вы сонно исследуете кухню в поисках завтрака. Но странный предмет на кухонном столе между хлебными крошками и недочитанными газетами привлекает ваш взгляд – белая чашка. В ней можно различить мистическую жидкую черную субстанцию. «Кофе!» – радуетесь вы. Но в голову вам тут же закрадываются сомнения. Как узнать наверняка, что перед вами именно кофе? А если это соевый соус? Или старое машинное масло? Конечно, можно понюхать или попробовать субстанцию, но опыт подсказывает, что ваши ощущения в такую рань могут и подвести. Поэтому вы скорее отправите чашку своей подруге-химику и попросите провести тщательный анализ темной жидкости. В лаборатории подруга-химик серьезно подходит к просьбе. Она измеряет pH, температуру плавления и кипел кристаллизирует, хроматографирует, делает масс-спектрометрический анализ или что там еще делают химики. Вывод однозначен: в чашке кофе арабика темной обжарки с чайной ложкой сахара.
Выяснить, из какого вещества сделаны различные предметы, вполне реально. Однако предварительным условием для анализа кофе было то, что кофейная чашка здесь, на Земле, доступна для измерений и анализа. А как насчет предметов, находящихся в космосе, далеко за пределами досягаемости даже самого амбициозного аэрокосмического сценария? Как тогда понять, из чего состоят объекты?
Этот вопрос уже поднимался французским философом Огюстом Контом (1798–1857) в 1835 году. В своем главном научном труде, «Курсе позитивной философии», писал о звездах: «Мы осознаем возможность определения их строения, размеров, расстояний и движений; но мы никогда не сможем каким бы то ни было образом исследовать их химический состав…».
И, будучи философом, он не стремился к потенциальным техническим трудностям при определении химии небесных тел: он считал эту задачу принципиально невыполнимой Однако еще в 1814 году, до того, как Конт записал эти слова, немецкий оптик Йозеф Фраунгофер (1787–1826) разработал первый точный спектроскоп, инструмент, который через несколько лет докажет, что Конт ошибался.
2.3. Вещество и его далекие отпечатки пальцев
На свет можно смотреть как на волны, а если быть точнее, то свет – это одна из форм того, что мы называем электромагнитными волнами. Как и большинство волн, световые волны могут иметь различную длину. Эти различные длины отвечают за разные цвета. Самые длинные из доступных нашему глазу электромагнитных волн мы воспринимаем как красный цвет, а самые короткие – как синий или фиолетовый. Все остальные цвета радуги располагаются между ними.
Белый цвет, который излучают Солнце и другие звезды, – это смесь всех существующих цветов. Эти цвета становятся различимы глазу в радуге. Тут их свет разделяют малюсенькие капли дождя. Все цвета, из которых и состоит белый, преломляются в немного различных направлениях и превращаются в красочную дугу на небе. Спектроскоп, разработанный Фраунгофером, представляет собой очень точную радужную машину – аппарат, с помощью стеклянной призмы или мелкоячеистой решетки расщепляющий свет на все его цвета.
Первым делом Фраунгофер нацелил свой спектроскоп на Солнце. Свет разделился во всех цветах радуги, но с нерегулярными интервалами – в цветовом спектре можно было четко выделить темные линии. Некоторые цвета отсутствовали. Почему?
Недостающие цвета в солнечном свете, которые Фраунгофер наблюдал в 1814 году. Сегодня эти темные линии называются «Фраун-гоферовы линии». Они показывают нам, какие газы находятся в атмосфере Солнца.
На этот вопрос смогли ответить в 1859-м, через 24 года после заявления Конта о неподдающейся анализу природе небесных тел. Тогда немецкий физик Густав Кирхгоф вместе со своим соотечественником химиком Робертом Бунзеном продемонстрировал, что отсутствующие линии в солнечном спектре точно соответствуют линиям, которые можно наблюдать в лаборатории от известных светящихся газов. «Отпечатки пальцев» лабораторных газов были идентичны «отпечаткам», наблюдаемым у Солнца. Таким образом, вопреки утверждению Конта, им удалось установить химический состав поверхности Солнца. Линии в спектре света называются спектральными линиями.
Спектральные линии и сегодня широко используются в астрофизике, а значение спектроскопии для современной астрономии и, в частности, для поиска темной материи и темной энергии практически невозможно переоценить.
Электромагнитный спектр
Видимый нам свет – это лишь малая часть того, что мы называем электромагнитным спектром.
Электромагнитный спектр от самых длинных радиоволн до кратчайших гамма-лучей. В середине находится видимый свет.
Я уже упоминал, что красный свет – самая длинная видимая волна, а самая короткая – та, которую мы воспринимаем как синий. Волны цветов видимого излучения находятся в диапазоне 380 и 760 нанометров, где нанометр – это 10-9 м, или одна миллиардная метра. Более длинные волны называются инфракрасным светом, а еще более длинные – радиоволнами. Самые короткие радиоволны также называются микроволнами. Микроволны, которые могут иметь длину волны от одного миллиметра до одного метра, мы рассмотрим позже. Есть также электромагнитные волны, которые короче видимого света. Сначала идут ультрафиолетовые волны, а затем следуют рентгеновские лучи, а самые короткие электромагнитные волны называются гамма-лучами. Гамма-излучение очень пригодится, когда мы позднее будем искать частицу темной материи. Весь электромагнитный спектр, от длинных радиоволн до коротковолнового гамма-излучения, играет важную роль в астрономии. Потому что, хоть нашим глазам доступен только видимый свет, мы можем создавать приборы, которые различают все остальные длины волн.
Так зачем же я вспомнил про философа, да и к тому же допустившего фундаментальную ошибку? Во-первых, история Конта дает нам отличный повод, чтобы вспомнить о спектроскопии. Во-вторых, многие из нас, астрофизиков, испытывают детскую и даже нездоровую радость, когда выпадает возможность посмеяться над философами. Нездоровую, потому что, когда мы выходим за границы науки, философы, несомненно, способны внести в наши изыскания немалый вклад. И нам следует, в частности, поблагодарить того же Огюста Конта, пионера в создании того, что сегодня мы назвали бы современным научным методом. Но главным образом я вспомнил о Конте потому, что его история говорит нам нечто важное о науке, особенно об астрофизике. До спектроскопии даже признанный философ не мог представить, что возможно раскрыть химический состав небесных объектов без анализа в химической лаборатории. Разумеется, есть надежда, что проблемы и научные барьеры, считающиеся сегодня неразрешимыми и непреодолимыми, когда-нибудь в будущем можно будет исследовать методами, которые сейчас и не представишь.
