История всего. 14 миллиардов лет космической эволюции - Дональд Голдсмит

Цвикки изучал перемещение галактик, принадлежащих к громадному галактическому кластеру, расположенному далеко за пределами местных звезд Млечного Пути и называемому Волосами Вероники (в честь древнеегипетской царицы). Этот кластер, он же скопление Кома, как называют его специалисты, представляет собой изолированный и «густонаселенный» ансамбль галактик примерно в 300 миллионах световых лет от Земли. Тысячи и тысячи галактик вращаются вокруг центра скопления, двигаясь в самых разных направлениях, словно пчелы вокруг улья. Используя движения нескольких десятков галактик в качестве маркеров гравитационного поля, охватывающего весь кластер целиком, Цвикки обнаружил, что они обладают потрясающе высокой средней скоростью. Так как большая сила притяжения соответствует большой скорости объектов под ее влиянием, Цвикки оставалось предположить, что масса скопления Комы гигантская. Если сложить предполагаемые массы всех галактик, Кома окажется одним из крупнейших и самых массивных кластеров во Вселенной. При этом в кластере нет достаточного количества видимого вещества, чтобы объяснить наблюдаемую нами скорость движения входящих в него галактик. Вещества просто слишком мало.

Если вооружиться законом земного притяжения Ньютона и взять за основу предположение, что кластер не пребывает в состоянии расширения коллапса, можно будет вычислить характерную среднюю скорость составляющих его галактик. Нужно только знать размер кластера и примерную величину его массы: масса, действующая на расстояниях, заданных размером кластера, определяет то, как быстро должны двигаться галактики, чтобы избежать «падения» в самый центр кластера или, наоборот, никогда не покинуть кластер в принципе.

Как показал Ньютон, подобный расчет способен помочь определить и скорость, с которой каждая из планет, удаленных от Солнца на конкретное расстояние, должна двигаться вокруг него. Никакого волшебства: полученные таким образом значения скорости полностью удовлетворяют тем гравитационным обстоятельствам, в которых существует каждая из планет. Если бы масса Солнца неожиданно увеличилась, Земле и другим планетам в Солнечной системе пришлось бы ускориться для того, чтобы удержаться на своих орбитах. Однако, если они разовьют слишком высокую скорость, силы притяжения Солнца будет недостаточно того, чтобы сохранить эти небесные тела на их орбитах. Если бы мы увеличили орбитальную скорость[17] Земли, умножив ее на значение квадратного корня из двух или более, наша планета достигла бы так называемой второй космической скорости (скорости преодоления силы земного притяжения, а также скорости покидания) и покинула бы Солнечную систему. Эту же логику мышления можно применить и к более крупным объектам, таким как наша собственная галактика Млечный Путь, где звезды вращаются по орбитам в соответствии с гравитацией остальных окружающих их звезд, или таким, как галактические кластеры, в которых каждая отдельная галактика тоже ощущает на себе гравитацию своих соседок. Как написал когда-то Эйнштейн в честь Исаака Ньютона (на немецком звучит в разы лучше, чем на английском, хотя переводил эти строки сам Дональд Гольдсмит):

Изучая скопление Кома, как и Цвикки в 1930-е годы, мы видим, что все входящие в его состав галактики движутся со скоростью, превышающей скорость, необходимую покидания этого кластера. Это при условии, что мы определяем данную скорость на основании общей арифметической суммы масс всех галактик, которую, в свою очередь, мы можем определить, исходя из их яркости. Получается, что кластер должен был бы разлететься во все стороны, оставив едва различимые следы своего существования за какие-то несколько сотен миллионов, в крайнем случае за миллиард лет. Однако возраст этого кластера насчитывает более 10 миллиардов лет — он почти такой же древний, как и сама Вселенная. Так родилась та самая астрономическая загадка, которую мы не в силах разгадать и по сей день.

На протяжении десятилетий после оглашения результатов исследований Цвикки все новые и новые кластеры галактик обнаруживали те же загадочные свойства. Значит, скопление Кома не обвинишь в том, что оно — белая ворона космических масштабов. Кого же нам винить? Ньютона? Но его теории исправно проходили одну практическую проверку за другой в течение последних 250 лет. Эйнштейна? Нет. Удивительная гравитация галактических кластеров не настолько высока, чтобы со всей силы опустить на нее молот общей теории относительности Эйнштейна, которой и было-то всего 20 лет отроду, когда Цвикки проводил свои исследования. Возможно, «недостающая масса», помогающая удерживать скопление Кома вместе, действительно существует, но в какой-то неизвестной и невидимой нам форме. В течение некоторого времени астрономы предпочитали термин «недостающий свет», так как именно его нам не хватает того, чтобы увидеть эту предположительно существующую массу, скрытую в каких-то космических сумерках и выдающую себя лишь по измеряемой гравитации. Сегодня же астрономы окончательно определились с выбором термина: они называют такую массу «темной материей», хотя название «темная гравитация» было бы еще более точным.

Вопрос темной материи был поднят и во второй раз. В 1976 году американский астрофизик Вашингтонского института Карнеги Вера Рубин обнаружила аналогичную аномалию «недостающей массы» внутри отдельных спиральных галактик. Изучая скорость, с которой звезды вращаются вокруг центра своих галактик, Рубин сначала увидела ровно то, что и ожидала: в рамках видимого диска каждой галактики скорость вращения звезд тем выше, чем они дальше от центра этой галактики. Между центром и наиболее удаленной от него звездой помещается больше вещества (другие звезды и газ), из-за чего такой далекой звезде нужно вращаться с большей скоростью, чтобы удержаться на своей орбите. Однако за пределами сияющего галактического диска мы все еще можем обнаружить отдельные газовые облака и несколько ярких звезд. Рубин использовала данные объекты в качестве маркеров гравитационного поля «за пределами» галактики, где видимое нами вещество больше не участвует в поддержании внутренней гравитации. Она обнаружила, что орбитальные скорости таких отдельных объектов, которые должны были снижаться с увеличением расстояния до самой галактики — там, в космическом захолустье, — тем не менее, оставались высокими.

Эти в основном «пустые» объемы пространства — этакие провинциальные регионы каждой галактики — содержат слишком мало видимого вещества для того, чтобы обосновать высокие орбитальные скорости объектов-маркеров. Рубин рационально (и верно) предположила, что темная материя в той или иной форме должна располагаться именно в этих удаленных регионах, далеко за пределом видимости каждой спиральной галактики. И в самом деле, темная материя формирует собой что-то вроде нимба вокруг галактической массы.