Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной - Лиза Рэндалл

В последний раз некая сущность в физике получила название «темной» в середине XIX в., когда Урбен Жан Жозеф Леверье из Франции предположил существование невидимой темной планеты, которую назвал Вулканом. Целью его было объяснить странную траекторию движения планеты Меркурий. До этого Леверье, изучив одновременно с англичанином Джоном Адамсом возмущения орбиты Урана, сделал вывод о существовании планеты Нептун, который полностью оправдался. А вот с Меркурием он ошибся. Оказалось, что странности его орбиты объясняются гораздо более сложно, чем просто существованием еще одной планеты, и объяснить их смогла только теория относительности Эйнштейна. Собственно, первым свидетельством в пользу общей теории относительности и стало успешное предсказание с ее помощью поведения орбиты Меркурия.

Может оказаться, что скрытая масса и темная энергия представляют собой следствия известных физических законов и теорий, а может быть, эти недостающие элементы Вселенной тоже являются предвестниками не менее серьезной смены парадигмы. Только время может сказать, каким образом разрешатся проблемы скрытой массы и темной энергии.

Я бы предположила, что скрытая масса, скорее всего, получит более традиционное объяснение, укладывающееся в рамки уже известных нам на сегодняшний день физических законов. В конце концов, даже если новое вещество ведет себя в соответствии с законами взаимодействий, похожими на те, что мы знаем, то почему все вещество во Вселенной обязано вести себя, как знакомое нам вещество? Или, более конкретно, почему всякое вещество обязано взаимодействовать со светом?

Многие думают по–другому. Они считают существование скрытой массы полной загадкой и задаются вопросом: как может быть, что большая часть вещества Вселенной — примерно в шесть раз больше того, что мы видим — представляет собой нечто, что невозможно зарегистрировать при помощи традиционных телескопов. Некоторые даже подозревают, что скрытая масса может оказаться какой‑то ошибкой. Лично я думаю наоборот (хотя следует признать, что даже среди физиков далеко не все согласны со мной). Было бы куда большей загадкой, если бы во Вселенной не нашлось другого вещества, помимо того, которое мы можем увидеть глазами. Почему человек должен обладать идеальными чувствами, способными непосредственно воспринимать все на свете? Опять же история развития физики на протяжении столетий учит нас, что от человеческого взгляда скрыто очень многое. С этой точки зрения непонятно, почему то, что мы воспринимаем непосредственно, должно составлять хотя бы одну шестую от энергии всего вещества. Мне это кажется совпадением, и мы с коллегами в настоящее время пытаемся в этом совпадении разобраться.

Нам известно, что должно существовать нечто со свойствами скрытой массы. Видеть это мы не можем, но гравитационное воздействие регистрируем исправно, и многочисленные наблюдательные данные о гравитационных эффектах в космосе говорят о том, что скрытая масса существует.

Первое указание на ее существование было получено при измерении скорости вращения звезд в скоплениях галактик. В 1933 г. Фриц Цвикки заметил, что галактики обращаются вокруг общего центра быстрее, чем следовало бы, исходя из видимой массы[59].

Вскоре после этого Ян Оорт обнаружил аналогичное явление и в Млечном Пути. Цвикки на основании собственных данных сделал вывод о существовании темной материи, которую никто не может непосредственно увидеть. Однако ни одно из этих наблюдений не было абсолютно убедительным. Казалось, что куда проще объяснить данные ошибкой наблюдения или пока неизвестной особенностью галактической динамики, чем придумывать исключительно для этого какую‑то невидимую субстанцию.

В то время, когда Цвикки проводил свои измерения, у его аппаратуры не хватало разрешения, и он не мог различать отдельные звезды. Гораздо более убедительные доказательства существования скрытой массы были получены Верой Рубин — астрономом–наблюдателем, которая много позже, в конце 1960–х — начале 1970–х гг. провела детальные количественные измерения движения звезд в далеких галактиках. То, что поначалу казалось «скучным» исследованием — наблюдения за движением звезд в галактиках (Вера обратилась к этой теме только потому, что этим в то время почти никто из астрономов не занимался), — оказалось первым серьезным свидетельством существования во Вселенной скрытой массы. Наблюдения Рубин и Кента Форда дали неопровержимые доказательства того, что Цвикки в давние времена пришел к корректному выводу.

Вам может показаться странным, что человек, посмотрев в телескоп, может увидеть нечто «темное» или «скрытое». Дело в том, что астрономы «видят» не скрытую массу, а ее гравитационное действие на другие объекты. Свойства любой галактики, в частности скорости движения звезд в ней вокруг общего центра, зависят от ее суммарной массы. Если бы во Вселенной не было ничего, кроме видимого вещества, то звезды на дальних пределах галактики и даже далеко за ее пределами должны были бы чувствовать ее гравитационное воздействие в намного меньшей степени. На самом же деле оказалось, что звезды, отстоящие от центра галактики вдесятеро дальше, чем видимый размер светящейся центральной части, обращаются вокруг центра галактики с той же скоростью, что и близкие к центру. А это означает, что плотность массы в галактике практически не уменьшается по мере удаления от центра — по крайней мере до расстояний вдесятеро больших, чем размер светящейся части.

Астрономы делают вывод о том, что галактики состоят преимущественно из невидимой — «темной» — материи. Светящееся вещество, которое мы наблюдаем, составляет немалую их часть, но большая часть галактики невидима, по крайней мере в обычном смысле этого слова.

РИС. 75. Свет, проходя мимо массивного объекта, может отклоняться от прямого пути, что с точки зрения наблюдателя создает на небе множественные изображения его источника

Сегодня у нас имеется немало и других косвенных доказательств существования скрытой массы. Пожалуй, самые непосредственные из них основаны на явлении линзирования (рис. 75). Линзирование — явление, возникающее при прохождении света мимо массивного объекта. Даже если сам этот объект не излучает света, то гравитационное воздействие он оказывает. Его гравитация может искривить траекторию прохождения света, излученного обычным, нетёмным объектом, расположенным позади него (с нашей точки зрения). Поскольку свет искривляется в разные стороны в зависимости от того, с какой стороны от объекта он проходит, и поскольку мы автоматически считаем траекторию света прямолинейной, линзирование может породить на небе множественные изображения одного и того же яркого объекта. Эти множественные изображения, в свою очередь, позволяют нам «увидеть» темный объект или по крайней мере сделать выводы о его существовании и свойствах, вычислив силу тяготения, необходимую для такого изгибания наблюдаемого света.