Текст книги "Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса"
Автор книги: Йостейн Кристиансен
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 15 страниц)
2.6. Темная материя. Или лишь слегка темноватая?
Цвикки столкнулся с несоответствием количества светящегося вещества количеству материи, оказывающей влияние на гравитацию. Но нам-то что с того? Просто много несветящегося вещества. Чему тут удивляться? Со всех сторон нас окружают не излучающие свет предметы. Ни птицы на крыше, ни окутанные облаками скалистые горы света не излучают.
Темная материя, которую в 1933 году заметил Цвикки, – а что, если это просто-напросто чуть менее яркая обычная материя? Как вообще ему удалось рассчитать массу, опираясь на количество света в галактиках? Если десятиграммовая лампочка светит гораздо ярче валуна в десять тонн, как вообще можно использовать свет, чтобы узнать хоть что-то о количестве материи?
Но не только камни в горах на Земле не излучают свет. Посмотрим, например, на наш космический райончик, Солнечную систему. Солнце-то светит чертовски ярко, а вот Земля, другие планеты, кометы, астероиды и прочая мелочь, кружащаяся вокруг Солнца, сами по себе холодные и темные. Да и к тому же Солнце содержит 99,9 процентов общей массы Солнечной системы, так что игнорирование планет и прочих небесных тел не особо скажется на количестве вещества, по крайней мере, в нашей планетной системе.
В таком случае вполне естественно будет предположить, что в остальных системах Млечного Пути и других галактиках большую часть массы составляют звезды. То есть если нам удастся высчитать массу звезды, в которой сосредоточена львиная доля вещества в системе, то на остальное спокойно можно закрыть глаза.
Проблема лишь в том, что не все звезды одинаковые. Одни звезды маленькие и светят слабо, другие же огромные, намного больше Солнца, и, соответственно, сияют в разы ярче. Если бы звезда в десять раз массивнее Солнца светила в десять раз ярче, то и сложностей бы не было. Но, к сожалению, все устроено не так просто. Как правило, если одна звезда в два раза массивнее другой, то яркость будет гораздо больше удвоенной. Например, обычная звезда, которая в десять раз массивнее Солнца, будет светить в 3000 раз ярче.
У обычных звезд прослеживается взаимосвязь между массой и светимостью. Во времена Цвикки люди только начинали в этом разбираться. Так что, в принципе, можно было посчитать звезды с разной светимостью в изучаемых галактиках и без особых затруднений предположить, какая там примерная плотность обычного вещества.
И тем не менее все было не так просто. Те галактики, которые изучал Цвикки, расположены настолько далеко и содержат так много звезд, что сосчитать все отдельные звезды до одной не представлялось возможным. Вместо этого он мог предположить, что пропорции звезд разной массы в далеких галактиках примерно такие же, как и в Млечном Пути. Основываясь на этом предположении, Цвикки мог использовать свет для оценки количества светящегося вещества в Коме.
Тут мы сталкиваемся с третьей проблемой. Чтобы понять, сколько света излучает звезда или галактика, нужно знать еще и расстояние до них. Хотя, наверно, в этом ничего странного нет, ведь мы привыкли, что свет слабеет по мере удаления от нас источника света. Закономерность того, как уменьшается яркость, проста и понятна. Когда расстояние до источника света удваивается, яркость уменьшается вчетверо, а когда расстояние возрастает в 10 раз, яркость уменьшается до одной сотой от оригинала. Если замерить, сколько света от звезды доходит до Земли, зная при этом расстояние до этой звезды, то подсчитать ее полную светимость будет проще простого. А с полной светимостью, как уже упоминалось, можно вычислить и массу.
Таким образом, Цвикки мог вычислить, сколько светящейся материи было в изучаемых областях, зная расстояние до звезд и галактик.
Наблюдения Цвикки были первыми в череде «открытий» темной материи в скоплениях галактик, притом, что большинство ученых следовали единой инструкции: первым делом нужно определить, сколько материи влияет на гравитацию в скоплении. Можно последовать примеру Цвикки и измерить скорости относительно галактик, а еще можно использовать гравитационное линзирование. Тогда уже придет черед измерить светящуюся материю. И тут появляется расхождение: светящейся материи маловато, и мы называем недостающую материю темной.
Аргумент простой, но все же не совсем удовлетворительный. Как мы упоминали ранее, существование темной материи – гипотеза выдающаяся, а значит, и доказательств требует выдающихся. В своих аргументах о темной материи Цвикки не говорит ничего о ее фундаментальных отличиях от обычной материи, например, о ее неспособности сталкиваться с другими материями. Он лишь обращает внимание на отсутствие света. Так пример со скоплением Кома звучал более убедительно: нет никакой темной материи, есть лишь «недостающая».
В столкновении между скоплениями галактик мы увидели, что темная материя ведет себя совершенно иначе: она, в отличие от обычной, ни с чем не сталкивается.
В 1930-х годах идея о темной материи не привлекла должного внимания в астрономическом сообществе – и это несмотря на солидность работы Цвикки и впечатляющие заключения. К тому же ученый был не единственным, кто «обнаружил» темную материю. Уже в 1932 году, еще до публикации статьи Цвикки, нидерландский астроном Ян Оорт напечатал работу, в которой пришел к выводу, что в окрестностях Млечного Пути должно быть большое количество темной материи. Позднее выводы Оорта оказались необоснованными (уж слишком сильно он промахнулся в своих предположениях), но Оорт обладал немалым авторитетом в астрономическом сообществе, и его результаты, безусловно, не остались без внимания. И тем не менее на протяжении последующего десятилетия интерес к темной материи не возрастал. Почему?
Отсутствие интереса имеет разные причины. Для начала не стоит забывать про временной контекст. В ту эпоху человечество едва успело осознать, что Млечный Путь – лишь одна из множества галактик, значит, наверное, сообщать еще и о существовании во Вселенной огромного количества темной материи было слегка преждевременно? Кроме того, как мы уже упоминали, наблюдения Цвикки (и Оорта, раз уж на то пошло) только показали, что есть некая материя, существование которой, опираясь лишь на данные излучаемого света, мы объяснить не в состоянии. Ни о чем принципиально новом это еще не говорило.
В 1970-х годах мы значительно приблизились к ответу на вопрос, где находится темная материя. Одновременно с этим астрономы стали относиться к этому открытию более серьезно. Толчком послужили открытия Веры Рубин.
2.7. Вера Рубин и темные галактики
Иногда может показаться, будто предметы вращаются. Так и есть. Земля вращается как вокруг собственной оси, так и вокруг Солнца. Солнце и Солнечная система обращаются вокруг центра Млечного Пути – как и миллиарды других звезд нашей галактики. Млечный Путь – лишь одна из мириад вращающихся галактик. А вращающиеся галактики как раз и стали для Веры Рубин (1928–2016) предметом изучения.
Неспроста же Веру Рубин ежегодно упоминали как одного из самых ярких кандидатов на Нобелевскую премию по физике. Ее исследования в области движения звезд по галактикам являются, пожалуй, самой важной исторической вехой в нашем понимании темной материи. Благодаря серии точных измерений скорости движения звезд, она заметила не только то, что отдельные галактики, вероятно, содержат большие количества темной материи, но и то, что темная материя ведет себя совсем по-другому.
Было совсем не очевидно, что Вера Рубин (урожденная Купер) станет астрономом. И дело не в отсутствии таланта или заинтересованности – просто она была женщиной. Ей, например, отказывали в аспирантуре на физическом факультете в Принстонском университете, так как вплоть до 1975 года университет не принимал женщин на такие учебные программы. Рубин не раз сталкивалась с тем, что ее не воспринимали всерьез – представить себе это несложно. В те времена какой-нибудь учитель старшей школы вполне мог ляпнуть, что главное – держаться подальше от науки, и тогда жизнь у нее сложится, а какой-нибудь любитель давать советы, услышав про интерес к астрономии и искусству, предложил бы ей рисовать что-то в космической тематике. В начале карьеры результаты исследований Рубин, очевидно, воспринимались с большим недоверием, чем результаты большинства ее коллег-мужчин.
Вера Рубин изучает фотопластинки с изображениями галактик (примерно 1970 г.).
К счастью, Вера не отличалась заниженной самооценкой и не зацикливалась на мнении окружающих. От астрономии она отказываться не собиралась, а до получения докторской степени ее научными руководителями были такие выдающиеся ученые, как Ричард Фейнман, Ханс Бете и Георгий Гамов. Но как только она приступила к работе в Вашингтоне, невероятные результаты стали появляться один за другим. Впрочем, случилось это только в 1970-х годах.
Галактическая карусель из глазуньи
Если скопление Кома и открытия Цвикки доказывают существование темной материи в скоплениях галактик, то теперь мы направимся в одну из вращающихся галактик, то есть сделаем большой шаг в сторону нашей собственной Солнечной системы. Давайте тогда поближе рассмотрим Млечный Путь – ту самую Галактику, в которой мы живем.
Мы уже представляли размер Млечного Пути в нашей модели с Солнцем – кокосовым орехом, где уменьшенная Галак гика будет соответствовать половине реального расстояния между Землей и Солнцем, а это немало. А еще мы помним, что за секунду свет более семи раз облетает Землю. Для преодоления расстояния между Землей и Солнцем свету потребуется более восьми минут, а путешествие вспышки света сквозь Млечный Путь займет более 100 000 лет. Получается, диаметр нашей Галактики —100 000 световых лет.
Наша галактика похожа на две яичницы-глазуньи, плоские части которых склеены. Солнце находится в рукаве спирали в «белке», примерно в 30 000 световых лет от центра.
В голову мне не приходит ни единого объекта из повседневной жизни, чья форма напоминала бы форму Млечного Пути. Однако если подстегнуть воображение, то можно сравнить Млечный Путь с двумя глазуньями, одна из которых перевернута и лежит под первой. Два желтка в середине образуют почти сферический центр нашей двойной глазуньи, а вокруг – яичный белок дискообразной формы.
Наша Галактика имеет такую структуру: в центре выпирает сферический комок диаметром около 20 000 световых лет. Вокруг сферического центра расположена дискообразная структура, толщина которой составляет всего несколько тысяч световых лет, а расстояние от края до края – примерно 100 000 световых лет. У нашего диска спиральная структура. Поэтому Млечный Путь считается спиральной галактикой и, как и другие галактики этого типа, вращается.
Солнце мчится вокруг центра Млечного Пути со скоростью более 200 километров в секунду, и даже при этом замыкает круг за целых 240 миллионов лет. Наша Солнечная система расположена довольно неприметно в спиральном рукаве галактического диска, чуть меньше, чем в 30 000 световых лет от центра Млечного Пути. На рисунке изображена галактика, очень похожая на Млечный Путь.
Спиральная галактика NGC 6744. Предполагается, что Млечный Путь выглядит примерно так. Солнечная система находится в одном из галактических рукавов, приблизительно на половине пути от центра галактики. Эти многочисленные яркие точки – звезды из других галактик, находящихся на переднем плане.
О звездах и резиновых уточках
Отправной точкой для открытия Рубин стали наблюдения за движением звезд Млечного Пути. Мы уже поняли, что наша Галактика вращается вокруг центра, но существует много способов вращения. Для твердого тела, велосипедного колеса, например, каждой части потребуется одинаковое время для завершения оборота. Если произвольная точка на шине проходит оборот за секунду, то точке внутри спицы тоже понадобится секунда. Млечный Путь вращается по-другому. Уже в конце 1920-х годов при измерении движения звезд в галактическом диске на разных расстояниях от центра Млечного Пути было обнаружено, что Галактике присуще так называемое дифференциальное вращение. Иначе говоря, правильнее будет сравнить Млечный Путь с резиновыми уточками, а не с колесом велосипеда. Резиновыми уточками?! Да-да. Вспомните тот небольшой водоворот, который возникает, когда вынимаешь пробку из ванны. Если вы посадите утиное семейство вокруг водоворота, то увидите, что наиболее близкие к центру уточки вращаются быстрее более отдаленных. Похожим образом дело обстоит и со звездами Млечного Пути: звезды на разных расстояниях от центра Галактики движутся с разными скоростями.
Я очень хорошо помню карусель из своего детства. Не цирковая карусель с картинки, а небольшой кружок, на который мы становились и разгонялись, крепко держась за поручни. Чем быстрее мы крутились, тем сложнее становилось удержаться. Ты буквально чувствовал, как увеличение скорости приводит к усилению центробежной силы.
(Центробежная сила не является «реальной» физической силой; это просто «ощутимая из-за ускоренного движения сила», но ощутимая сила в нашей ситуации – это уже неплохо.)
Звезды Млечного Пути ощущают ту же центробежную силу, и чем быстрее они вращаются, тем сложнее им удержаться в Галактике и не вылететь наружу, как неуклюжему младшему брату с карусели на площадке. Но что же удерживает звезды? Ну конечно! Это наш старый добрый друг – гравитация.
А что, если звезды вращаются слишком быстро?
Для движения звезды по круговой орбите внутри Галактики необходим идеальный баланс между центробежными силами, которые тянут звезду наружу, и гравитационными силами, которые тянут ее внутрь. Если измерить скорость вращения звезд, то можно рассчитать гравитационные силы, необходимые для их удержания. И если мы знаем, насколько велики гравитационные силы, то уже в состоянии прикинуть, сколько материи потребуется для их создания. Получается, что скорость движения звезд – своеобразный показатель количества вещества в Галактике.
Дальше – больше. Гравитационные силы, которые удерживают звезду, определяются (если совсем уж упрощать) только количеством вещества внутри орбиты этой звезды. Это означает, что гравитационные силы, удерживающие Солнце в Млечном Пути, определяются всем веществом, которое находится ближе Солнца к центру Галактики. А звезды и все остальное, что находится дальше в Галактике, из какого бы вещества оно ни состояло, в этом случае никакой роли не играет.
Вера Рубин как раз и занималась измерением скорости движения звезд на разных расстояниях от центра спиральных галактик. Например, когда астроном измерила скорость звезд в 10 000 световых лет от центра, у нее появилась возможность высчитать количество материи внутри этого диапазона. Затем она получила возможность измерять скорости звезд все дальше и дальше от центра. Таким образом, она постепенно формировала картину того, сколько вещества находится на разных расстояниях от центра вращающихся галактик.
Что касается звезд во внутренних частях галактик, результаты соответствовали ожиданиям. Чем дальше звезды находятся от центра, тем сильнее увеличивается их скорость. И с количеством видимой светящейся материи все сошлось. По мере увеличения расстояния от центра, звезд становится больше, и, следовательно, возрастают гравитационные силы, которые позволяют звездам удерживаться на таких больших скоростях.
А вот результаты измерений на периферии оказались крайне неожиданными. По правде говоря, звезд там негусто. Настолько негусто, что количество материи внутри особо не увеличивается по мере отдаления от центра. Казалось бы, в таком случае влияющая на притяжение материя должна оставаться на примерно одном уровне по мере отдаления во внешние части галактики. В то же время чем дальше мы удаляемся от звезд в центре галактики, тем слабее их гравитационное воздействие. В результате логично ожидать ослабления гравитации при движении наружу во внешние части галактики. Таким образом, скорость вращения галактик тоже должна становиться все ниже и ниже по мере приближения к краям.
Подведем итоги. Если брать в расчет только видимую материю в галактике, то должно получиться так: ближе к центру мы сначала увидим, что звезды движутся все быстрее и быстрее, а на периферии мы ожидаем, что чем сильнее отдалимся, тем медленнее будут обращаться по орбитам звезды.
Но вот Рубин заметила, что все не так. По мере отдаления от центра галактического диска скорости совсем не падали, а оставались все такими же высокими даже у самых крайних видимых звезд. Эти звезды движутся настолько быстро, что должны бы давно улететь в открытый космос, так как гравитационным силам в галактиках не удалось бы их удержать. Но этого не происходит. То есть тут наверняка замешаны какие-то дополнительные гравитационные силы. А поскольку внешние звезды в галактиках вращаются так же быстро, как и находящиеся внутри, дополнительная материя, создающая дополнительные гравитационные силы, должна находиться дальше от центра галактики, чем видимые звезды. Мы полагаем, что это и есть темная материя.
Обратите внимание, что в наблюдениях Рубин есть один весьма важный момент, который отсутствовал у Цвикки. Вот к какому заключению пришел Цвикки: количество света в скоплении Кома не соответствует гравитационным силам, которые не позволяют галактикам разлететься. Такого же мнения придерживалась Рубин относительно вращающихся галактик: света недостаточно для создания гравитационных сил, позволяющих звездам оставаться на своих местах. Но наряду с этим Рубин заметила еще и необычное поведение невидимой материи: она протягивается дальше обычной, а значит, тут явно что-то новое и неизведанное. И объяснить все тем, что астроному просто не удалось сопоставить видимый свет и количество материи, не получится. Судя по всему, эта дополнительная материя, похоже, распределяется иначе, совсем не так, как видимые звезды.
Обратите внимание – я говорю «вращающиеся галактики», а не «Млечный Путь», хотя он, по сути, и есть ближайшая к нам Галактика. Все дело в том, что Рубин нашу собственную Галактику не рассматривала, но она изучала многие другие галактики подобного типа. Млечный Путь изучать сложно, причем именно потому, что мы сами находимся внутри него. Это все равно что описывать, как выглядит дом, довольствуясь лишь видом из кухонного окна. Довольно непросто. Гораздо легче будет описать дом напротив, ведь его нам прекрасно видно.
Длинные плоские кривые вращения
Часто, говоря об исследованиях Рубин, упоминают «плоские кривые вращения», поскольку, согласно исследованиям, скорость вращения остается примерно одинаковой при движении наружу в спиральных галактиках.
Современные измерения кривой вращения галактики М33 (Галактики Треугольника). Точки показывают измеренные скорости на различных расстояниях от центра галактики. Пунктирная линия показывает, какими были бы наши измерения, если бы на силы тяжести действовала исключительно видимая материя.
Назвать изучение кривых вращения делом легким язык не поворачивается. Еще труднее было раздобыть точные и адекватные данные, чтобы вывод об удивительно быстрых звездах на периферии в спиральных галактиках нельзя было списать на неточности. Поэтому, как это обычно и случается, открытие произошло не в тот момент, когда ученый воскликнул: «Эврика!» Вывод, напротив, постепенно сам просачивался наружу, словно запах гнили из-под пола в ванной. И, подобно запаху гнили, плоские кривые вращения тянули за собой неприятную правду: галактики сложнее, чем мы предполагали, а созданные нами модели не соответствуют реальности.
Еще в 1939 году другой астроном, Хорее Бэбкок (1912–2003), наблюдал за причудливыми плоскими кривыми вращения нашей соседней галактики Андромеды. Но он списал удивительные результаты на неточности в наблюдениях. И получается, что возможность сделать научный прорыв просто-напросто угодила в мусорное ведро лишь из-за того, что Бэбкок не осмелился серьезно отнестись к своим предположениям.
А еще Андромеда стала первой вращающейся галактикой, к изучению которой приступила Рубин. В 1970-х наблюдения были расширены за счет некоторых других вращающихся галактик. И в то же время темой заинтересовались и другие ученые, измерившие скорости газа за пределом самых крайних звезд галактического диска. Практически все исследования двигались в одном направлении. В сводной статье 1980 года Рубин и соавторы заявляют следующее: «Неизбежный вывод состоит в том, что несветящаяся материя существует и за пределами оптической галактики». Таким образом, невидимая материя существует и за пределами той части галактики, которую мы видим, а видимая «двойная глазунья» позволяет нам рассмотреть лишь небольшую часть всего, что обитает в нашей Галактике.
