Текст книги "Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса"
Автор книги: Йостейн Кристиансен
сообщить о нарушении
Текущая страница: 5 (всего у книги 15 страниц)
2.8. Звездный патруль
Почему же именно Вере Рубин удалось так точно измерить кривые вращения галактик? В первую очередь, потому что она с невероятным мастерством и терпением провела ряд наблюдений, не сомневаясь в успехе. Другой важной предпосылкой успеха Рубин было ее сотрудничество с астрономом и разработчиком техники Кентом Фордом (род. в 1931 г.), также ставшим соавтором всех научных статей Рубин о кривых вращения. Форд разработал очень точный спектрограф – прибор того же чипа, что изобрел и использовал в XIX веке для исследования строения Солнца и других звезд Иозеф Фраунгофер. Л при измерении скорости звезд без спектрографа не обойтись.
Да и к тому же измерения скоростей звезд в галактиках лежат в основе открытий не только Рубин, но и Фрица Цвикки, который обнаружил темную материю в скоплениях галактик, изучая скорости их движения.
Но каким же образом Цвикки и Рубин измеряли скорости звезд? Да точно так же, как патрули ДПС измеряют скорость безответственных водителей на дорогах, – используя эффект Доплера.
Скорость и эффект Доплера
Эффект Доплера возникает, когда некий движущийся объект излучает волны. Пожалуй, наиболее очевидный пример из повседневной жизни – это звук проезжающей мимо полицейской машины. Высокий тон «виу-виу-виу» приближающейся сирены и резкий переход к гораздо более низкому, когда она совсем близко, «ВУИ-ВУИ-ВУИ», – и так до тех пор, пока машина не отдалится.
Эффект Доплера касается всех типов волн, в том числе звуковых и световых. Причина эффекта заключается вот в чем: источник волн – в данном случае полицейская машина – движется по направлению к приемнику звука, в данном случае вашему уху. От частоты волн зависит, насколько высоким кажется тон. Частота волн показывает, сколько волн достигают уха каждую секунду: высокая частота дает высокий тон, низкая частота – низкий тон.
Скорость звуковой волны в воздухе на поверхности Земли составляет примерно 340 метров в секунду, и она неизменна вне зависимости от частоты волн. Следовательно, у высокочастотных волн расстояние между каждой новой волной меньше, чем у волн более низкой частотности. Расстояние между двумя следующими друг за другом волнами называют длиной волны. Мы уже упоминали понятие длины волны, когда говорили о световых волнах. И длина волны, и частота – это термины, актуальные для всех видов волн, будь то свет, звук или волны на воде.
Когда сирена двигается в вашем направлении, то каждая новая волна будет все ближе к вам. Таким образом, расстояние между волнами (длина волны) будет меньше, если сравнивать с неподвижной сиреной. Чем короче длина волны, тем выше частота и звонче тон. Соответственно, когда сирена удаляется от вас, она перемещается немного дальше с каждой новой излучаемой волной. Следовательно, расстояние между волнами увеличивается, частота становится ниже, а тон воспринимается как более басистый.
Эффект Доплера для звуковых волн. Человек справа будет слышать более короткие волны и более высокий тон, чем. человек слева.
Свет – это тоже волны, а поэтому подвержен эффекту Доплера. Если источник света двигается к нам, волна немного укорачивается, а если, наоборот, удаляется, волна удлиняется. Что касается света, мы воспринимаем разные длины волн как разные цвета. Из воспринимаемых нашими глазами цветов у красного самая большая длина волны, у синего – самая маленькая, а между ними располагаются все цвета радуги.
В кругах физиков хорошо известен анекдот об одном парне – назовем его Доплером, – который проехал перекресток на красный свет, и его остановил грубоватый полицейский:
– Вы что, не видели, что едете на красный?
– Извините, должно быть, я ехал настолько быстро, что красный свет казался зеленым.
Ну и дела! Могло ли это и впрямь оказаться правдой? Зеленый свет имеет более короткую длину волны, чем красный, поэтому, если Доплер ехал достаточно быстро, в принципе ничто не мешало ему воспринимать красный свет как зеленый. Однако если вдуматься, становится ясно: чтобы красный свет показался Доплеру зеленым, ему пришлось бы ехать с совсем уж невероятной скоростью – 200 миллионов километров в час. С такой скоростью можно обогнуть Землю менее чем за секунду. Так что Доплеру же лучше, если полицейский ему не поверит.
Получается, нужно разогнаться до нечеловеческих скоростей, чтобы ощутить четкий эффект Доплера на световых волнах, однако для звуковых волн достаточно и скорости автомобиля. Причина такой разницы в том, что свет и звук перемещаются с абсолютно разными скоростями. Действие эффекта Доплера зависит от того, насколько быстро движется источник волн по сравнению со скоростью самих волн. Как мы помним, звуковые волны на поверхности Земли перемещаются с вполне адекватной скоростью – 340 метров в секунду. Световые же волны распространяются со скоростью 300 000 километров в секунду (3–108 м/с). Поэтому нет ничего удивительного в том, что эффект Доплера не особо впечатляет, когда дело касается света и обычных скромных скоростей.
Для таких астрономов, как Фриц Цвикки и Вера Рубин, эффект Доплера при измерении скоростей был незаменим. Ключевая разница между движением автомобиля и космических тел, естественно, заключается в том, что звезды и галактики гораздо быстрее. Кроме того, с помощью измерительных приборов можно уловить крошечные изменения цвета, которые не различит даже самый опытный художник.
Чтобы измерить, насколько быстро звезда или галактика движутся к нам или от нас, достаточно измерить, насколько изменилась длина световых волн из-за эффекта Доплера. Измерить длины волн, достигших Земли, относительно просто. Но, чтобы найти изменения в длинах волн, нам также нужно знать, какая длина волны была бы у света, если бы источник не двигался. Как же ее вычислить? Мы ведь не можем приказать звезде и уж тем более галактике остановиться, чтобы измерить первоначальную длину волны.
Стоящие у обочин посты ДПС, ловящие лихачей, справляются с этой проблемой, излучая свою собственную волну. Для этого они используют радиолуч с определенной длиной волны. Достигнув машины, луч отражается от нее, но уже смещенный эффектом Доплера на другую длину волны, которая зависит от скорости автомобиля. В итоге, сравнивая длину волны излученную и принятую, прибор может определить скорость автомобиля.
Конечно, создать луч, который будет отражаться от отдаленных звезд и галактик, не представляется возможным. Астрономам могут помочь спектральные линии уже известных веществ.
Как мы упоминали ранее, рассказывая о философе Конте и пионере спектроскопии Фраунгофере, все газы имеют уникальные «отпечатки пальцев», а именно особые длины волн, или цвета. Наблюдая за светом звезд или галактик отсюда, с Земли, мы часто замечаем смещение всех спектральных линий. Если они смещены в сторону более коротких волн, то мы называем такое смещение синим. Свет с синим смещением означает, что источник излучения движется к нам. Если же спектральные линии смещены в сторону более длинных волн, мы получаем красное смещение. Значит, объект, излучающий свет, удаляется от нас. Чем больше красное или синее смещение, тем выше скорость движения объекта.
Спектроскопия и измерение синего или красного смещения – весьма надежный и точный способ измерения скоростей, и именно этим методом пользовались как Цвикки, так и Рубин при измерении скорости движения галактик и звезд. Чтобы измерить расстояние до отдаленных слабых источников света, необходим хороший спектрограф. Использование очень точного спектрографа, разработанного Кентом Фордом, сыграло решающую роль при выполнении точных измерений, благодаря которым Вера Рубин пришла к выводу, что галактики вращаются не так, как им следовало бы. Пример Рубин и Форда – один из тех невероятных случаев, когда сочетание смелых мыслей, навыков и новых точных технологий привело астрономию к великим открытиям.
2.9. Так где же скрывается эта темная материя?
В самом начале книги я утверждал, что во Вселенной темной материи примерно в пять раз больше, чем обычной. Возникает вполне естественный вопрос: почему в нашей жизни здесь, на Земле, мы не замечаем ничего, связанного с темной материей? Да, темная материя невидима, но ее гравитационное воздействие мы бы ощутили, хотя в повседневной жизни и не обращаем особого внимания на гравитацию. Когда мы подпрыгиваем вверх и снова опускаемся на землю, то происходит это исключительно под воздействием видимого вещества Земли. Иными словами, вряд ли на Земле есть темная материя. А как быть с Солнечной системой? Может, в ней имеются целые планеты-гиганты из темной материи? Не-а. Планеты притягиваются друг к другу под воздействием гравитации, и в этом легко убедиться, изучив их движение. Здесь нет даже намека на огромные невидимые планеты. Но Вера Рубин нашла большое количество темной материи во вращающихся галактиках, и, хоть Млечный Путь она не изучала, другие ученые его не игнорировали. Все указывает на то, что у Млечного Пути такие же странные плоские кривые вращения, как у других спиральных галактик, а неестественно большие скорости звезд на периферии свидетельствуют о том, что и в нашей Галактике должно быть много темной материи. Так где же она скрывается?
Темная материя, которая не хотела быть глазуньей
Главное преимущество открытия Рубин заключается в доказательстве того, что недостающая материя в спиральных галактиках распределена совсем не как обычная видимая. Обычное вещество мы представили в форме двойной глазуньи. Чтобы можно было объяснить высокие скорости звезд на периферии и плоские кривые вращения, невидимая материя должна распространяться намного дальше, чем видимая. Мы сунули эти наблюдения в кастрюлю вместе с теорией и методами компьютерного моделирования, вскипятили и перемешали все вместе, получилась современная стандартная модель спиральных галактик. В этой модели двойная глазунья видимого вещества расположена в центре огромной сферической области темной материи, называемой гало. Этот ореол темной материи находится в области, в несколько раз превышающей диаметр видимой глазуньи.
Продолжая наши кулинарные аналогии, мы можем, таким образом, представить двойную глазунью, плавающую посреди гораздо более широкой, но неглубокой тарелки супа из темной материи. В середине супа из темной материи плотность наивысшая, а потом, если двигаться к краям, она постепенно снижается. Мы также считаем, что суп из темной материи одинаковой консистенции и в нем нет даже малюсеньких комочков. Следовательно, ни о каких звездах из темной материи и речи не идет.
Мы полагаем, что двойная глазунья из Млечного Пути находится в самом центре еще более обширного гало темной материи.
Модель супа с глазуньей хороша тем, что способна объяснить плоские кривые вращения. Модель так хорошо прижилась именно благодаря логичности на теоретическом уровне. Хотя это, возможно, и неочевидно. Разве могут как видимая, так и темная материи взаимодействовать гравитационными силами, так что при этом одна группируется в звезды и планеты, а другая – нет? Давайте-ка вспомним, как появляются галактики и звезды.
Рождение галактики
Уже готовые галактики не возникли сами собой вместе со Вселенной: галактики формировались по мере ее роста и взросления. Так как же рождались галактики?
Понадобится облако газа. Громадное газовое облако. Но этот газ не просто вещество, а смесь обычной и темной материй. Не исключено, что там уже даже несколько звезд образовалось. Но это, скорее, не плотное облако, а огромная область во Вселенной, в которой газ немного плотнее, чем в прилегающих областях. У этого газового облака есть масса. Следовательно, и гравитация там присутствует, а значит, гравитационные силы рано или поздно начнут сжимать облако. Сначала медленно, а потом все быстрее и быстрее. А что происходит после?
Начнем с обычной материи. По мере того, как облако становится меньше и плотнее, частицы обычного вещества начинают сталкиваться. В конечном счете столкновения заставят сжатие притормозиться, прямо как яблоко Ньютона, которое сначала замедлилось, а потом и вовсе остановилось, коснувшись земли. Если в самом начале наше облако хоть чуточку вращалось, то теперь это вращение будет усиливаться по мере увеличения сжатия, совсем как фигурист, прижавший руки к телу, чтобы кружиться еще быстрее. Вращение заставляет обычное вещество сжаться в форму диска – белок нашей двойной глазуньи.
А как в газовом облаке поведет себя темная материя? Точно так же, как то ньютоновское яблоко из темной материи, коснувшись земли. Темная материя не сталкивается и не замедляется. Если яблоко из темной материи пролетело сквозь Землю и вернулось обратно, то и темная материя будет двигаться по галактике, но частью нашей сжатой яичницы не станет. Поэтому видимая двойная глазунья и остается в середине жидкого супа из темной материи.
То, как рождаются звезды и планеты, очень похоже на формирование галактик, разве что размах поменьше: газовое облако сжимается, а столкновения приводят к замедлению вещества и рождению звезд, в нашем случае – Солнца. Эффект фигуриста заставит все это вращаться, и в диске, который возникает вокруг звезды, в конце концов сформируются планеты из сталкивающегося вещества.
Очевидно, что столкновения играют не последнюю роль как в образовании галактик, так и звезд. Плотные неровные структуры, такие как галактики и планетные системы, образуются в результате взаимодействия между гравитацией, которая сжимает вещество, и столкновениями, замедляющими сжатие. Когда гравитация влияет на темную материю, та сжимается и образовывает области с наибольшей концентрацией. Темная материя скапливается как вокруг галактик, так и вокруг скоплений галактик, а около центров галактик темной материи больше, чем на краях. Поскольку темная материя не сталкивается, она никогда не образует таких же плотных структур с комками, как обычное вещество.
Темной материи в нашей Галактике гораздо больше, чем материи видимой, однако темная очень тонко распределена по Вселенной. Еще с начала книги мы знаем о расстояниях между звездами в Млечном Пути: кокос в Осло, грецкий орех в Сахаре и так далее, а это означает, что места для темной материи предостаточно. Конечно, какое-то количество темной материи есть и в Солнечной системе, но, по сравнению с огромным массивом обычного вещества, количество темной материи здесь неуловимо мало. Тем не менее на Земле, например, всегда будет немного темной материи. Плотность темной в наших краях неизвестна, но на весь объем Земли приходится примерно полкилограмма темной материи. В итоге получается, что, хоть во Вселенной и содержится около пяти килограммов темной материи на каждый килограмм обычной, на Земле эти материи поменялись ролями.
2.10. Невидимая физика
Мы уже рассмотрели три примера свойств Вселенной, которые затруднительно объяснить без темной материи. Сначала Пуля (два сталкивающихся скопления галактик). Затем быстрые галактики в скоплениях галактик – явление, впервые описанное Фрицем Цвикки в 1930-х годах. И, наконец, вращающиеся спиральные галактики и открытия Веры Рубин в 1970-х.
Благодаря двойной глазунье в супе мы познакомились с галактиками. Но главное блюдо мы оставили на потом. Основной индикатор существования темной материи – это, по моему мнению, так называемое реликтовое излучение. Это излучение представляет собой микроволны, возникшие сразу после Большого взрыва, задолго до образования первых звезд и галактик. По сути, это излучение Большого взрыва, которое сегодня является основным двигателем для наших постоянно растущих знаний о Вселенной.
Большие и маленькие числа
Мы уже встречали несколько чисел, записанных в виде степени десяти, например 108. До сих пор эти числа сопровождались пояснениями. С этого момента эти степени будут появляться без дополнительных объяснений. Вот памятка для тех, кто пустил школьный курс математики на самотек.
Большие числа: 108 (десять в восьмой степени) – это то же самое, что единица и восемь нолей позади. Получается, показатель степени 8 говорит о количестве нолей после единицы.
Маленькие числа: степени применимы и для небольших чисел. Но в этом случае используется знак «минус» перед показателем степени. Например, 10-8 равнозначно 1/108 или 0,00 000 001. Таким образом, отрицательный показатель степени указывает нам, через сколько знаков после запятой стоит число 1.
Мы уже заметили, как способность темной материи не сталкиваться становится определяющей, например, для Пули или для кривых вращения Рубин. Это свойство также будет решающим для понимания реликтового излучения. Но вот причины, по которым темная материя не сталкивается, мы еще не обсуждали. Перед тем, как приступить к реликтовому излучению, сделаем-ка небольшой экскурс в физику невидимости. Ведь чуть позже мы убедимся, что невидимость и отсутствие столкновений – это две стороны одной медали.
Электрическая видимость
Почему что-то невидимо? Или наоборот: почему обычная материя видима? Почему вы видите книгу, которую держите в руках? И почему книга может просто лежать на столе, несмотря на гравитационные силы, которые постоянно тянут ее вниз? И на все эти вопросы ответ один: электрические заряды. Разница между видимой и невидимой реальностью – то же самое, что разница между частями мира с электрическими зарядами и без них.
Во время разговора об электричестве трудно не упомянуть его любимого брата-близнеца – магнетизм. Оба явления тесно взаимосвязаны. Например, если у вас на велосипеде динамо-машина, то колесо велосипеда заставит магнит вращаться. Так вращающийся магнит образует электрический ток, из-за которого загорается фонарь велосипеда. Мы можем пойти и другим путем и использовать электрический ток для создания магнетизма. Это применяется, например, в электромагнитах, которые, в частности, используются в больничных аппаратах МРТ. Их катушки под огромным напряжением создают мощнейшие магнитные поля. Итак, есть электричество – будет и магнетизм, и наоборот. Тогда, возможно, не так уж и странно, что физики используют такие термины, как электромагнетизм, электромагнитное излучение и так далее.
Во всех электромагнитных явлениях центральное место занимают электрические заряды.
Электрические заряды
Электроэнергия влияет на все, что содержит электрические заряды. А что такое электрический заряд? Ну, это свойство, которым обладает частица под влиянием электричества. Хм… какой-то замкнутый круг выходит. Давайте разберем аналогичную ситуацию.
Сила тяжести влияет на все объекты с массой (ее мы измеряем в килограммах). И масса – это то самое качество, которым обладает частица, если на нее влияет сила тяжести (по крайней мере в повседневной физике). Таким образом, масса – это своего рода гравитационный заряд, а значит, объект «соединяется» с гравитацией. Таким же образом электрический заряд заставляет что-либо соединяться с электричеством.
Самая известная электрически заряженная частица – это электрон. Когда мы с помощью электричества включаем свет или чистим зубы, именно движение электронов мы и используем. И когда небо разрывается от мощного удара молнии, то виной всему электрические заряды, а точнее, поток электронов между грозовой тучей и землей.
У электронов так называемый отрицательный электрический заряд. А самая известная частица с положительным электрическим зарядом – протон. Протон ровно настолько же положителен, насколько отрицателен электрон, поэтому если взять комок с равным количеством протонов и электронов, то его общий электрический заряд будет нулевым. Тогда мы скажем, что он нейтральный.
Большинство окружающих нас в обычной жизни предметов относительно электрически нейтральны. Вот в человеке, например, более 1028 электронов – число, сравнимое с количеством песчинок в Сахаре. Но когда этим электрическим зарядам составляет компанию равное число положительно заряженных протонов, в результате получается электронейтральный человек. И книга в ваших руках, и птицы на крыше электрически нейтральны, и большинство исследований подтверждают, что наша Вселенная в целом электрически нейтральна. Таким образом, и в человеке, и в книге, и во Вселенной примерно одинаковое количество положительно и отрицательно заряженных частиц.
Воздушные шары и электрические лунные коровы
Чтобы хорошенько разглядеть электрические заряды, придется добраться аж до атомного уровня. Атом состоит из положительно заряженного ядра, в котором находятся протоны и электрически нейтральные нейтроны. А вокруг ядра – облако отрицательно заряженных электронов. В нейтрально заряженном атоме количество электронов в электронном «облаке» равно количеству протонов в ядре.
Когда атомы объединяются и образуют структуры, такие как молекулы, книги и планеты, то именно электронные облака различных атомов не дают им развалиться. Электроны в одном атоме притягиваются к положительно заряженному ядру другого атома, тем самым их связывая. Таким образом, в нашем структурированном мире никак не обойтись без электрического заряда.
Между электрическими зарядами действуют определенные силы. Одинаковые заряды отталкивают друг друга, а разные – притягивают. Таким образом, если взять два шарика с избытком электронов, то они будут отталкиваться, а если один шар будет с избытком электронов, а другой с избытком протонов, то они будут притягиваться друг к другу. Действие этого эффекта можно оценить, если потереть волосы о праздничные воздушные шары, чтобы те прилипли к потолку. Разные материалы, такие как волосы и резина, обладают разной способностью удерживать электроны, и, когда вы трете воздушный шар о волосы, некоторые электроны из волос будут перемещаться к воздушному шару. В таком случае воздушный шар получает отрицательный заряд, а волосы – положительный. Волосы и воздушный шарик будут притягиваться друг к другу, и вы сделаете прикольную прическу в стиле «безумный профессор». Если вы поднесете воздушный шар к потолку, электроны там будут отталкивать отрицательно заряженный шар. Получается, потолок около шарика получит небольшой положительный заряд. Потолок и шарик будут притягивать друг друга, и шарик там так и останется. А если поднести два натертых о волосы шарика на разных ниточках близко друг к другу, то они будут отталкиваться, так как у обоих отрицательный заряд.
Воздушные шарики иллюстрируют, как работает электроэнергия, однако нам все же еще не совсем понятно, насколько она могущественна. Количество электронов, перешедших от ваших волос к воздушному шару, относительно мало, неужели этой энергии достаточно, чтобы удерживать шарик под потолком? И насколько влиятельными бывают силы между электрически заряженными объектами? И что произойдет, если мы заменим воздушные шары Луной и Землей?
Луна обращается по околоземной орбите. Благодаря силам притяжения Земли, Луна, несмотря на свою огромную скорость, не улетает в космос, а остается на своей орбите. В качестве мысленного эксперимента примерьте на себя роль космического Деда Мороза, который раздает дополнительные электроны небесным телам. Не скупясь, вы протягиваете мешок электронов Земле и точно такой же – Луне. Таким образом, отрицательные электрические заряды будут способствовать взаимному отталкиванию Земли и Луны. Однако сила тяжести никуда не делась, поэтому планета и спутник продолжают притягивать друг друга. Насколько большими должны быть мешки с электронами, чтобы электрические силы преодолели силы гравитации и оттолкнули Луну от Земли? Оказывается, хватит и 350 кг лишних электронов. Для сравнения: все электроны на Земле вместе весят столько же, сколько вся вода Мирового океана, так что это и вправду немного.
Получается, что электроны, соответствующие массе двух коров, мощнее, чем гравитационные силы, связывающие Луну с Землей. Но гравитация все же контролирует движения между небесными телами, и происходит это из-за того, что они на самом деле электрически нейтральны. В Земле и Солнце, в астероидах, далеких звездах и огромных галактиках электронов примерно столько же, сколько протонов.
