Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

2.6. Темная материя. Или лишь слегка темноватая?

Цвикки столкнулся с несоответствием количества светящегося вещества количеству материи, оказывающей влияние на гравитацию. Но нам-то что с того? Просто много несветящегося вещества. Чему тут удивляться? Со всех сторон нас окружают не излучающие свет предметы. Ни птицы на крыше, ни окутанные облаками скалистые горы света не излучают.

Темная материя, которую в 1933 году заметил Цвикки, — а что, если это просто-напросто чуть менее яркая обычная материя? Как вообще ему удалось рассчитать массу, опираясь на количество света в галактиках? Если десятиграммовая лампочка светит гораздо ярче валуна в десять тонн, как вообще можно использовать свет, чтобы узнать хоть что-то о количестве материи?

Но не только камни в горах на Земле не излучают свет. Посмотрим, например, на наш космический райончик, Солнечную систему. Солнце-то светит чертовски ярко, а вот Земля, другие планеты, кометы, астероиды и прочая мелочь, кружащаяся вокруг Солнца, сами по себе холодные и темные. Да и к тому же Солнце содержит 99,9 процентов общей массы Солнечной системы, так что игнорирование планет и прочих небесных тел не особо скажется на количестве вещества, по крайней мере, в нашей планетной системе.

В таком случае вполне естественно будет предположить, что в остальных системах Млечного Пути и других галактиках большую часть массы составляют звезды. То есть если нам удастся высчитать массу звезды, в которой сосредоточена львиная доля вещества в системе, то на остальное спокойно можно закрыть глаза.

Проблема лишь в том, что не все звезды одинаковые. Одни звезды маленькие и светят слабо, другие же огромные, намного больше Солнца, и, соответственно, сияют в разы ярче. Если бы звезда в десять раз массивнее Солнца светила в десять раз ярче, то и сложностей бы не было. Но, к сожалению, все устроено не так просто. Как правило, если одна звезда в два раза массивнее другой, то яркость будет гораздо больше удвоенной. Например, обычная звезда, которая в десять раз массивнее Солнца, будет светить в 3000 раз ярче.

У обычных звезд прослеживается взаимосвязь между массой и светимостью. Во времена Цвикки люди только начинали в этом разбираться. Так что, в принципе, можно было посчитать звезды с разной светимостью в изучаемых галактиках и без особых затруднений предположить, какая там примерная плотность обычного вещества.

И тем не менее все было не так просто. Те галактики, которые изучал Цвикки, расположены настолько далеко и содержат так много звезд, что сосчитать все отдельные звезды до одной не представлялось возможным. Вместо этого он мог предположить, что пропорции звезд разной массы в далеких галактиках примерно такие же, как и в Млечном Пути. Основываясь на этом предположении, Цвикки мог использовать свет для оценки количества светящегося вещества в Коме.

Тут мы сталкиваемся с третьей проблемой. Чтобы понять, сколько света излучает звезда или галактика, нужно знать еще и расстояние до них. Хотя, наверно, в этом ничего странного нет, ведь мы привыкли, что свет слабеет по мере удаления от нас источника света. Закономерность того, как уменьшается яркость, проста и понятна. Когда расстояние до источника света удваивается, яркость уменьшается вчетверо, а когда расстояние возрастает в 10 раз, яркость уменьшается до одной сотой от оригинала. Если замерить, сколько света от звезды доходит до Земли, зная при этом расстояние до этой звезды, то подсчитать ее полную светимость будет проще простого. А с полной светимостью, как уже упоминалось, можно вычислить и массу.

Таким образом, Цвикки мог вычислить, сколько светящейся материи было в изучаемых областях, зная расстояние до звезд и галактик.

Наблюдения Цвикки были первыми в череде «открытий» темной материи в скоплениях галактик, притом, что большинство ученых следовали единой инструкции: первым делом нужно определить, сколько материи влияет на гравитацию в скоплении. Можно последовать примеру Цвикки и измерить скорости относительно галактик, а еще можно использовать гравитационное линзирование. Тогда уже придет черед измерить светящуюся материю. И тут появляется расхождение: светящейся материи маловато, и мы называем недостающую материю темной.

Аргумент простой, но все же не совсем удовлетворительный. Как мы упоминали ранее, существование темной материи — гипотеза выдающаяся, а значит, и доказательств требует выдающихся. В своих аргументах о темной материи Цвикки не говорит ничего о ее фундаментальных отличиях от обычной материи, например, о ее неспособности сталкиваться с другими материями. Он лишь обращает внимание на отсутствие света. Так пример со скоплением Кома звучал более убедительно: нет никакой темной материи, есть лишь «недостающая».

В столкновении между скоплениями галактик мы увидели, что темная материя ведет себя совершенно иначе: она, в отличие от обычной, ни с чем не сталкивается.

В 1930-х годах идея о темной материи не привлекла должного внимания в астрономическом сообществе — и это несмотря на солидность работы Цвикки и впечатляющие заключения. К тому же ученый был не единственным, кто «обнаружил» темную материю. Уже в 1932 году, еще до публикации статьи Цвикки, нидерландский астроном Ян Оорт напечатал работу, в которой пришел к выводу, что в окрестностях Млечного Пути должно быть большое количество темной материи. Позднее выводы Оорта оказались необоснованными (уж слишком сильно он промахнулся в своих предположениях), но Оорт обладал немалым авторитетом в астрономическом сообществе, и его результаты, безусловно, не остались без внимания. И тем не менее на протяжении последующего десятилетия интерес к темной материи не возрастал. Почему?

Отсутствие интереса имеет разные причины. Для начала не стоит забывать про временной контекст. В ту эпоху человечество едва успело осознать, что Млечный Путь — лишь одна из множества галактик, значит, наверное, сообщать еще и о существовании во Вселенной огромного количества темной материи было слегка преждевременно? Кроме того, как мы уже упоминали, наблюдения Цвикки (и Оорта, раз уж на то пошло) только показали, что есть некая материя, существование которой, опираясь лишь на данные излучаемого света, мы объяснить не в состоянии. Ни о чем принципиально новом это еще не говорило.

В 1970-х годах мы значительно приблизились к ответу на вопрос, где находится темная материя. Одновременно с этим астрономы стали относиться к этому открытию более серьезно. Толчком послужили открытия Веры Рубин.