Астрофизика с космической скоростью, или Великие тайны Вселенной для тех, кому некогда - Нил Деграсс Тайсон

(Взгляните на звезды, которые учат, как надо слушаться учителя: каждая вечно и спокойно движется согласно расчетам Ньютона по своему предписанному пути.)

Если мы, как это сделал Цвики в 30-е годы, изучим скопление Волосы Вероники, то окажется, что все галактики, которые в него входят, движутся со скоростью больше второй космической для этого скопления. Оно должно было быстро разлететься на части, всего за несколько сотен миллионов лет не должно было остаться ни следа от нынешнего роя. Однако этому скоплению уже больше десяти миллиардов лет – они почти что ровесники с самой Вселенной. Так в астрофизике появилась самая старая на сегодня задача без ответа.

* * *

На протяжении десятилетий, прошедших после публикации работ Цвики, ту же особенность выявили и у других скоплений галактик, так что речь идет не о какой-то удивительной особенности Волос Вероники: это скопление ни в чем не виновато. А кто виноват? Или что? Ньютон? Он вне подозрений. По крайней мере, пока. Его теории изучались 250 лет и прошли все проверки. Эйнштейн? Нет. Колоссальная гравитация скоплений галактик все же не настолько велика, чтобы требовать полномасштабного применения общей теории относительности Эйнштейна, которой во времена Цвики исполнилось всего двадцать лет. Возможно, «недостающая масса», удерживающая галактики в скоплении Волосы Вероники, и в самом деле существует, просто в какой-то неизвестной невидимой форме. Сегодня мы довольствуемся выражением «темное вещество»: оно не намекает, что нам чего-то недостает, но все же предполагает, что должна существовать какая-то иная разновидность вещества, просто мы ее еще не открыли.

Едва астрофизики смирились с существованием темного вещества в скоплениях галактик, как загадка снова заявила о своем незримом присутствии. В 1976 году покойная Вера Рубин, астрофизик из Института Карнеги в Вашингтоне, открыла похожую аномалию масс внутри самих спиральных галактик. Она изучала скорости вращения звезд вокруг центров галактик и сначала обнаружила то, что и ожидала: внутри видимого диска каждой галактики звезды, находящиеся дальше от центра, движутся быстрее, чем ближние. Чем дальше звезды, тем больше вещества (звезд и газа) находится между ними и центром галактики, поэтому у них выше орбитальная скорость. Однако за пределами светящегося диска галактики можно обнаружить изолированные газовые облака и несколько ярких звезд. Вера Рубин проследила движение этих объектов, использовав их как метки гравитационного поля вне самых ярких частей галактик, где нет видимого вещества, вносящего вклад в общую массу, и обнаружила, что их орбитальные скорости, которые должны были здесь, в глухой провинции, постепенно уменьшаться с увеличением расстояния, оставались по-прежнему высокими.

Эти пустые по большей части объемы пространства – дальнее захолустье каждой галактики – содержат так мало видимого вещества, что аномально высокие орбитальные скорости звезд-меток невозможно объяснить. Вера Рубин совершенно законно предположила, что в этих дальних областях, далеко за пределами видимого края каждой спиральной галактики, находится какая-то разновидность темного вещества. Благодаря работам Рубин мы теперь называем эти загадочные области «гало темного вещества». Загадочные гало существуют у нас прямо под носом, здесь, около Млечного Пути. Расхождение между совокупной массой видимых объектов и массой, которая объясняла бы общую гравитацию, налицо во всех галактиках и во всех скоплениях; иногда они различаются в несколько раз, а иногда – в несколько сотен. В среднем по Вселенной получается, что темное вещество в космосе обеспечивает примерно в шесть раз больше гравитации, чем все видимое вещество.

Дальнейшие исследования показали, что темное вещество не может состоять из обычного вещества, которое почему-то светится тусклее или не светится вообще. К этому выводу подводят две логические цепочки. Во-первых, мы можем практически с полной уверенностью исключить всех знакомых нам кандидатов – в точности как подозреваемых при опознании. Может быть, темное вещество залегает в черных дырах? Нет, мы бы наверняка обнаружили такое большое количество черных дыр по гравитационному воздействию на ближайшие звезды. Может, это темные облака? Нет, они бы поглощали свет далеких звезд или еще как-то взаимодействовали с ним, а добропорядочное темное вещество так никогда не поступает. А может, это бродячие планеты, астероиды и кометы в межзвездном (или межгалактическом) пространстве, ведь все эти тела сами не светятся? Трудно поверить, чтобы во Вселенной производилось в шесть раз больше массы в виде планет, чем в виде звезд. Получается, что на каждую звезду в Галактике должно приходиться 6000 Юпитеров, хуже того – 2 000 000 Земель. Но, к примеру, в нашей Солнечной системе все вместе, кроме Солнца, весит меньше одной пятой процента от массы Солнца.

О странной природе темного вещества говорят и более прямые данные – например, соотношение гелия и водорода во Вселенной. Это число дает представление о том, как выглядела ранняя Вселенная. По достаточно точным оценкам, в процессе ядерного синтеза в первые несколько минут после Большого взрыва на каждые десять ядер водорода (которые представляют собой просто протоны) образовалось одно ядро гелия. Расчеты показывают, что если бы в ядерном синтезе участвовала значительная доля темного вещества, отношение гелия к водороду было бы гораздо выше. Из этого можно сделать вывод, что большая часть темного вещества, а следовательно, большинство массы во Вселенной не участвует в ядерном синтезе, а значит, не подходит под определение «обычного» вещества, которое по сути своей готово участвовать в атомных и ядерных взаимодействиях, формирующих вещество в том виде, в каком мы его знаем. Этот вывод – темное вещество и ядерный синтез никак не связаны – независимо подтверждают и тщательные наблюдения фонового микроволнового излучения.

Таким образом, насколько мы можем судить, темное вещество – это не просто вещество, которое почему-то темное. Нет. Это что-то принципиально иное. Темное вещество создает гравитацию по тем же самым законам, что и обычное вещество, но больше никак себя не проявляет – не делает ничего такого, что мы могли бы зарегистрировать. Разумеется, эта логика ущербна, поскольку мы не знаем, что, собственно, темное вещество собой представляет. Если любая масса создает гравитацию, следует ли из этого, что за любой гравитацией стоит масса? Этого мы не знаем. Возможно, с веществом-то все нормально, просто мы не до конца понимаем, что такое гравитация.

* * *

В различных астрофизических средах различается и степень несоответствия между темным и обычным веществом, однако это несоответствие становится заметнее, когда имеешь дело с крупными объектами – галактиками и скоплениями галактик. У самых маленьких объектов – лун и планет – никакого несоответствия не наблюдается. Например, гравитация на поверхности Земли полностью объясняется обычным веществом, по которому мы ходим. Так что если у вас на Земле избыточный вес, темное вещество тут ни при чем. Оно никак не влияет ни на вращение Луны по орбите, ни на движение планет вокруг Солнца – но, как мы уже видели, его приходится учитывать при расчетах движения звезд вокруг центра Галактики.