Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

2.4. Цвикки и быстрые галактики

Как показывает пример с Пулей, в скоплениях галактик, судя по всему, обитает темная материя. Скопление галактик — это как раз то самое место преступления, где были обнаружены одни из самых первых улик того, что мы считаем темной материей.

В 1933 году в не особо читаемом швейцарском журнале Helvetica Physica Acta появилась статья, автором которой был не особо известный швейцарский физик и астроном Фриц Цвикки. Но в статье скрывалось революционное открытие — темная материя.

Чтобы одним из первых заявить о том, что Вселенная состоит из огромного количества невидимого вещества, мало обладать воображением и либеральными взглядами на природу и физику — нужна еще и невероятная уверенность в собственных доводах. Ну и не станем забывать о самоуверенности, избавляющей от страха допустить ошибку. И, что немаловажно, понадобятся солидные научные знания для обоснования гипотезы. Все это у Фрица Цвикки имелось.

^{Фриц Цвикки}

Норвежцы привыкли, что оригинальные мыслители — например, Арне Несс и Питер Бессель Цапффе — нередко увлекаются скалолазаньем и поэтому не удивляются, когда великие рассуждения и горные виды спорта идут рука об руку. Поэтому они считают совершенно естественным, что Цвикки совмещал научную деятельность с альпинизмом. Цапффе описывает альпинизм как «…спорт для индивидуальностей, для оригиналов и аутсайдеров», а Цвикки однозначно можно отнести к оригиналам — и как ученого, и как человека. А раз уж мы затронули «норвежские» качества ученого, вспомним, что его отец, Фридолин Цвикки, служил норвежским консулом в болгарском городе Варна в первые годы жизни сына.

Однако же Фриц Цвикки считал себя швейцарцем и никогда даже не ступал на норвежскую землю. Американскую землю Цвикки, напротив, исходил вдоль и поперек, поскольку большую часть жизни проработал профессором Калифорнийского технологического института (известном также как Калтех).

Для научной работы Цвикки характерны впечатляющая широта, креативность и дальновидность. Мы уже упоминали о его «открытии» темной материи — к нему мы вскоре вернемся. Но Цвикки не только обнаружил темную материю. Он, например, первым предположил, что скопления галактик могут выступать в роли гравитационных линз. Эту идею Цвикки впервые высказал в 1937 году, и, хотя до открытия скопления — гравитационной линзы пройдет еще 40 лет, важность такого подхода для современной астрономии очевидна и по сей день.

Другой пример — предсказание Цвикки существования нейтронных звезд. Нейтронные звезды — это класс чрезвычайно компактных звезд, которые остаются после смерти обычных массивных звезд. Нейтронная звезда настолько сильно сжата, что небольшая бутылка из-под газировки с нейтронным веществом будет весить столько же, сколько вся вода в Мьёсе — глубочайшем озере Норвегии. Чтобы предсказать существование нейтронных звезд, настолько необычного класса объектов, что они отправляют весь здравый смысл в нокаут, необходим необычный и непредвзятый подход к исследованиям. Именно он и стал визитной карточкой Цвикки. Сегодня о существовании нейтронных звезд мы знаем, по крайней мере, благодаря излучаемым ими радиоволнам, так что и в этом Цвикки оказался прав.

Несмотря на консульский опыт своего отца, Фриц Цвикки вряд ли стал бы хорошим дипломатом: обходительностью он не отличался, зато честным был до жестокости и даже прославился колкими и нелестными характеристиками своих коллег. Самый известный пример — это прозвище «сферические ублюдки», которым Цвикки окрестил коллег-астрономов, а объяснял он свою логику так: «…на них с какой стороны ни посмотри — они ублюдки». Цвикки нечасто получал от коллег рождественские открытки, и этот факт, видимо, помешал ему прославиться еще сильнее, хотя вклад в науку он внес неоценимый. Вращающиеся галактики в скоплении Кома

Революционное открытие темной материи Цвикки вылилось из скрупулезного наблюдения за скоплением Кома в созвездии Волосы Вероники — одним из ближайших к нам крупных скоплений галактик. Оно состоит из пары тысяч галактик и растягивается примерно на пятнадцать миллионов световых лет.

^{Центральная часть скопления Кома. Картинка создана благодаря космическому телескопу «Спитцер» и «Слоуневскому цифровому небесному обзору».}

Звучит внушительно. Но если мы попытаемся представить эти пятнадцать миллионов световых лет в перспективе, то в космических масштабах получится не очень много. Не больше размера 150 расположенных рядом Млечных Путей. А внутри этой области несколько тысяч галактик. Получается, что располагаются они довольно тесно, а значит, зависят от гравитационных сил друг друга. Это взаимное влияние и удерживает галактики вместе. Цвикки изучал, каким образом гравитационные силы в скоплениях влияют на движение самих галактик.

Я уже сравнивал скопление галактик с роем комаров. И в скоплении Кома галактики хаотично летают во всевозможных направлениях, совсем как комары. Отдельная галактика вполне может отдаляться от центра скопления с огромной скоростью, но гравитационные силы других галактик все равно окажутся сильнее, так что в конце концов она развернется и двинется внутрь. Поэтому скопление и не распадается.

Похожее явление наблюдается, когда подбрасываешь вверх камень. Теоретически камень можно подбросить с такой силой, что он улетит в космос и рано или поздно покинет Солнечную систему. На практике же это невозможно, ведь сила притяжения Земли не позволит ему настолько отдалиться. Но, допустим, что мы перенесем камень на меньшее небесное тело, например, на комету со странным названием 67Р/Чурюмова — Герасименко, которую в 2014 году исследовал космический аппарат «Розетта». Масса этой кометы в разы меньше, чем у Земли, поэтому и сила притяжения слабее. Подбрось мы камень там — и скорости в 2 км/час вполне хватило бы, чтобы он навсегда покинул комету.

Таким образом, скорость, с которой камень способен двигаться, не улетая, зависит от массы тела, откуда этот самый камень брошен. Чем массивнее тело, тем быстрее камень двигается, не рискуя исчезнуть. То же самое происходит с галактиками, движущимися в скоплении. Там за гравитацию уже отвечает не Земля или комета, а суммарная масса всех остальных галактик. Если мы измерим, насколько быстро галактики движутся, при этом не разлетаясь, то сможем узнать массу всего скопления.

Но можно добиться и большего. Вернемся к камню, который мы подбрасывали вверх. Не нужно быть гением в этом нехитром деле, чтобы заметить взаимосвязь между скоростью броска и высотой. Если начальная скорость камня — 30 км/час, то он поднимется в воздух на три с половиной метра и лишь затем начнет падать. Но и высота, на которую взлетит камень, зависит опять же от мощности гравитации. Если бросить камень с той же скоростью, стоя на поверхности Луны, он сможет подняться более чем на 20 метров. Если однажды утром вы вдруг проснетесь на неизвестном небесном теле, то подбросьте камень вверх со скоростью 30 км/час и измерьте расстояние до верхней точки. Измерение можно использовать при определении силы гравитации, а эти данные, в свою очередь, пригодятся для вычисления массы небесного тела.

Метод, которым пользовался Цвикки для определения массы скопления Кома, не сильно отличается. Понятное дело, в похожем на комариный рой скоплении галактик вряд ли найдется место, откуда удастся измерить высоту при помощи камня, но вместо этого Цвикки измерил радиус скопления галактик. Сравнивая скорости галактик (вместо скорости камня) с радиусом скопления галактик (вместо высоты), он рассчитал массу скопления. Этот расчет основывался исключительно на данных о силе гравитации скопления, независимо от его свечения. Кроме того, Цвикки измерил доходящий до нас от скопления Кома свет и использовал это для определения количества видимой светящейся в нем материи. Затем он сравнивал две вычисленных массы, основанные на гравитации и на светимости звезд. Результат превзошел все ожидания.

Согласно полученным Цвикки данным, количество материи, влияющей на гравитационные силы, в несколько сотен раз превышает количество светящейся массы. Ученый пришел к выводу, что скопление содержит большое количество субстанции, которую он по-немецки назвал dunkle Materie (Темная материя). Из расчетов Цвикки следует, что темная материя составляет более 99 процентов скопления, а обычная видимая материя — меньше одного процента.

Сегодня, более 80 лет спустя, Цвикки по-прежнему прав: в скоплении Кома содержится очень много темной энергии. Однако мнение о ее количестве существенно изменилось: если Цвикки считал, что темная материя составляет более 99 процентов, то сегодня мы, скорее, склоняемся к 90 процентам. В связи с расширением наших знаний о Вселенной, выяснилось, что и видимого вещества там вдвое больше. Таким образом, заключение Цвикки было качественно правильным, но количественно далеким от истины. В чем же ошибся Цвикки?

Никакой грубой ошибки ни в вычислениях, ни в методе ученый не допустил. Но для преобразования полученных величин в физическую массу Кома необходимо знать расстояние от нас до скопления. Проблема заключается в том, что в 1930-х годах расстояние до скопления Кома считалось относительно небольшим. Вот представьте, что вы в горах и видите свет от костра в километре от вас. Из-за расстояния свечение будет неярким, хотя костер, возможно, порядочный. Но если вы ошибочно решите, будто костер всего в ста метрах, то он покажется вам маленьким из-за блеклого света. Примерно то же самое произошло и с Цвикки. Он думал, что смотрит на относительно близкие галактики, и поэтому предположил, что свет тусклый, а значит, излучающего свет вещества в галактиках мало. На самом же деле, причиной тусклого света было намного большее расстояние, нежели думал Цвикки.Чему нас учит история Цвикки

Хоть Цвикки и знатно промахнулся с количеством темной материи в скоплении галактик Кома, проделанной им работой трудно не восхититься. Ведь ошибка заключалась в расчетах, а не в самом открытии. Он первым начал использовать новые астрономические методы, что и помогло прийти к этому заключению. К тому же такой невероятный результат не заставил его сомневаться в верности своих расчетов. Большинство людей на его месте подумали бы: «Вот черт, должно быть, где-то я ошибся», а потом начали бы подгонять методы и гипотезы под то, что изначально ожидали найти.

Выводы Цвикки впечатляют еще больше, если брать в расчет годы их публикации. В начале 1930-х, когда он начал изучать движение галактик, мы только-только приблизились к пониманию того, что вообще они из себя представляют. Всего десятью годами ранее астрономы спорили о том, всё ли из видимого на небе — часть Млечного Пути или же спиралевидные туманности, которые можно разглядеть при помощи телескопов, — крупные самостоятельные галактики далеко за пределами нашей.

Казалось бы, об обнаружении огромного количества темной материи должны на каждом шагу трубить все таблоиды. Но заголовок статьи Цвикки вовсе не вопил: «СЕНСАЦИЯ! БЕЗУМНЫЕ КОЛИЧЕСТВА МИСТИЧЕСКОГО НЕВИДИМОГО ВЕЩЕСТВА В СКОПЛЕНИИ КОМА». Вместо этого статья называлась так: «Красное смещение внегалактических туманностей». Результаты были описаны крайне сдержанно, и причин тому достаточно. Во-первых, в то время пиар в средствах массовой информации и распространение сомнительных результатов не влияли на финансирование дальнейших исследований. Во-вторых, Цвикки и сам осознавал неточность результатов и старательно работал над отсеиванием некоторых спорных моментов. Ко всему прочему, он размышлял о природе темной материи. Ученый ни слова не сказал о том, что это, должно быть, новый таинственный невидимый вид частиц. Цвикки просто различал светящуюся и темную материю. И не факт, что понятие темной материи в его интерпретации совпадает с сегодняшними представлениями. Тем не менее сейчас мы совершенно уверены, что Цвикки обнаружил именно темную материю в ее современном понимании.