Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

2.1. Когда скопления галактик сталкиваются

^{Скопление галактик Нуля (Bullet Cluster) иллюстрирует столкновение двух скоплений галактик. Розовые участки показывают рентгеновское излучение от обычной материи. Синие участки показывают распределение массы, основываясь на гравитационном линзировании галактик.}

Эта фотография была сделана в 2006 году, и с тех самых пор астрономы на нее почти молятся.

(Изображение основано на данных из следующей революционной статьи, где впервые вычисляется распределение массы на основе гравитационного линзирования: «А Direct Empirical Proof of the Existence of Dark Matter».)

В этих синих и розовых точках раскрывается то, что мы по большей части и считаем темной материей. Что же вы видим на этом изображении?

В центре моментального снимка одна из жесточайших встреч в космосе: столкновение двух скоплений галактик, которое продолжалось в течение сотен миллионов лет. Изображенное здесь столкновение известно под названием Пуля (англ. Bullet Cluster) из-за похожего на пулю образования справа.

Скопление галактик — это, как мы уже поняли, система связанных друг с другом галактик. Галактики в скоплении притягивают друг друга благодаря силе тяжести, поэтому скопления, как и планеты Солнечной системы, остаются на месте и не разлетаются. Галактики кружатся друг вокруг друга, как комары над рыбаком, и, подобно тому, как рой комаров перемещается от одного рыбака к другому, скопления галактик двигаются в космическом пространстве. Иногда эти космические рои комаров сталкиваются. В случае со скоплением галактик Пуля два скопления сталкиваются со скоростью 2500 км/с — это все равно, что за секунду переместиться из Франции в Норвегию.

Что происходит во время таких столкновений? И зависит ли это от того, из чего они состоят? Помните то обычное видимое яблоко Ньютона? Ученого больше всего занимало, что происходило с яблоком, пока оно находилось в воздухе, а сила тяжести тянула его вниз. Но, наверно, самое захватывающее происходит, когда яблоко с глухим стуком ударяется о землю и останавливается. Оно сталкивается с землей, и, несмотря на то что сила тяжести продолжает воздействовать на яблоко, фрукт неподвижно лежит на траве. Это происходит, потому что яблоко состоит из обычной материи. Если мы заменим обычное яблоко на яблоко из темной материи, оно пройдет сквозь земной шар без столкновения.

То же самое происходит и когда сталкиваются скопления галактик. Если скопления состоят из обычной материи, то они сталкиваются и замедляют движение друг друга. А вот если скопления состоят из темной материи, то они беспрепятственно проходят сквозь друг друга, прямо как яблоко из темной материи беспрепятственно прошло сквозь Землю. Это теория. А сравнить с реальностью можно благодаря скоплению Пуля.

Если мы направим большой телескоп на скопление Пуля, то увидим желтые звезды и галактики, показанные на рисунке. Однако больших розовых и синих точек мы не увидим. Эти цвета были наложены на изображение позже. Что же нам показывают розовые и синие пятна?

Начнем с розовой части. Розовые точки отображают рентгеновские излучения, замеченные благодаря космическому телескопу «Чандра». Рентгеновское излучение — это еще один тип сверхсильного излучения, которое образуется во время мощных столкновений. Скопления галактик, помимо непосредственно галактик, содержат большое количество межгалактического газа. В скоплении галактик Пуля рентгеновское излучение образуется, когда два скопления встречаются и сталкиваются. Розовые точки также свидетельствуют о столкнувшихся газах. Темная материя не сталкивается, поэтому розовый цвет показывает нам лишь следы обычной видимой материи в скоплении галактик.

В скоплении галактик Пуля сталкиваются два скопления разных размеров. Меньшее скопление слева — небольшие, заостренные точки правее от середины — уже влилось в значительную часть более крупного скопления. Заостренные формы можно сравнить с волнами, которые образуются вокруг носа лодки, врезающейся в воду, с одним лишь отличием — волны от маленького скопления галактик будут протягиваться на много сотен тысяч световых лет. Световой год — это обозначение расстояния, которое свет может преодолеть за год, и если учесть, что свет двигается настолько быстро, что за секунду может обогнуть Землю более семи раз, то световой год — это весьма большое расстояние, не говоря уже о сотне тысяч световых лет, что является протяженностью маленького скопления галактик.

Пока все сходится. Два скопления галактик встречаются, газы сталкиваются и испускают рентгеновское излучение, которое ясно показывает, насколько большие были скорости и размеры. Розовые области отображают обычную сталкивающуюся материю.

Но что такое синие точки? Синие участки показывают, где находится большая часть материи — как видимой, так и невидимой. Таким образом, синие точки представляют собой карту массы Пули, в то время как розовые точки показывают видимое вещество в форме сталкивающегося газа. По краям синих точек заметно больше, чем розовых. Или, иначе говоря, основная часть материи в скоплении галактик Пуля находится вовсе не в месте скопления видимого газа. Как же это объяснить?

Давайте представим, что два сталкивающихся скопления галактик состоят из двух частей: одна часть из обычной сталкивающейся материи, а другая — гораздо массивнее — из несталки- вающейся темной материи. Что случится, когда два скопления обрушатся друг на друга? Да, во время столкновения обычная материя столкнется и сильно замедлится. А темная материя не сталкивается и пройдет без изменений через столкновение. И именно это нам и показывают синие точки. Розовые области демонстрируют сталкивающуюся обычную материю, в то время как синий цвет указывает на части скопления галактик, которые не столкнулись, то есть темную материю.

Но как же «увидеть» невидимую материю? Как нам удалось нарисовать синие точки? Секрет заключается в технике с красивым названием — гравитационное линзирование. Солянка из космических линз.

Гравитационное линзирование. Все просто: гравитация, или сила тяжести, может использоваться как космическая суперлинза. Каким образом?

Мы привыкли к тому, что сила тяжести меняет маршрут материи. Если вы пнете футбольный мяч и он полетит под углом вверх, то сила тяжести рано или поздно изменит траекторию мяча так, что он повернется и упадет на землю. Изменения в направлении света для нас также не новость. Например, мы используем стеклянные линзы для создания очков, увеличительных луп и микроскопов. Но сила тяжести абсолютно так же влияет на траекторию света. Это явление впервые описано Эйнштейном в начале XX века в рамках теории относительности и с тех пор изучено в ряде экспериментов.

Немногие — скорее, вообще никто — замечают игру гравитационной линзы со зрительным восприятием по дороге на работу или обратно. Причина этому достаточно простая: явление совершенно незаметно, если только мы не наблюдаем за огромными расстояниями и мощной силой тяжести. Если мы, например, переключим внимание с Земли на скопления галактик и большое количество материи, то увидим как невероятные расстояния, так и большое количество материи, которые, в свою очередь, создают сильнейшую гравитацию. Тогда и можно наблюдать гравитационное линзирование.

Вы когда-нибудь смотрели на свечу сквозь основание ножки винного бокала? Помните же, как причудливо изгибается и искажается пламя. Пламя искажается, а степень искажения зависит от формы ножки. Искажение пламени свечи в этом случае очень напоминает искажение света в гравитационной линзе.

Скопление галактик в этом случае заменяет ножку бокала. Отдаленные галактики за скоплением галактик выступают в качестве свечи. Форма далеких галактик будет искажаться при прохождении света через скопление галактик. Из-за этого искажения свет принимает дугообразные и округлые формы, а галактики видно одновременно в нескольких местах на небе. Чем больше материи в скоплении галактик, тем сильнее действует сила тяжести и тем сильнее будет искажено изображение отдаленных галактик. Изучая форму далеких галактик, видимых через разные части скопления галактик, мы можем таким образом создать карту распределения вещества в скоплении галактик. На этой карте будет также отражена и темная материя, поскольку она создает гравитационную силу.

^{Скопление галактик Abell 2218 — красивый пример гравитационного линзирования. Длинные дуги — это свет от лежащих позади галактик, сгибаемый гравитацией Abell 2218.}

На этом снимке изображено скопление галактик Abell 2218 — одна из самых красивых из известных нам систем гравитационных линз. Все тонкие арки, которые вы видите на картинке, представляют собой далекие галактики, где свет был повернут силами гравитации. Когда смотришь на скопление галактик на заднем плане, то благодаря гравитационным силам ощущение такое, будто разглядываешь празднично освещенную рождественскую елку через бокал красного вина. То, насколько изгибаются отдаленные галактики, позволяет определить количество вещества в скоплении.

И хотя скопление Пуля не может предоставить такие же арки их линз, как Abell 2218, мы все же в состоянии найти достаточно искаженных галактик, чтобы определить, сколько вещества находится в разных местах скопления. Именно это и стало основанием для синих пятен, выявляющих темную материю. Доказывает ли скопление Пуля существование темной материи?

Гравитационное линзирование — очень мощный инструмент, позволяющий примерно рассчитать массу скопления галактик. Уникальная особенность скопления галактик Пуля — это мощное столкновение, которое разделило обычную и темную материю так, что они находятся в разных местах.

Было бы тяжело наблюдать за Пулей без упоминания темной материи. Рассуждения соблазнительно просты — так и тянет сразу сказать, что это скопление галактик дает нам неоспоримое доказательство существования темной материи.

На самом деле все наши рассуждения очень упрощены. Я писал, что газ в скоплении галактик сталкивается и останавливается в области столкновения. Но скопления галактик состоят не только из газа, а как минимум еще и из бесчисленных галактик с миллиардами звезд. Какова вероятность того, что при этом столкнутся две галактики? А если они столкнутся, то что? Мы уже поняли, какое расстояние между звездами в нашей галактике: кокос в Осло, грецкий орех в Сахаре и так далее. Следовательно, при столкновении галактик звезды расположатся на безопасном расстоянии друг от друга. На звезды и галактики действительно будут взаимно влиять гравитационные силы, и поэтому они начнут двигаться в новых направлениях и с новыми скоростями, однако никакого космического фейерверка не произойдет.

Возможно, галактики и звезды из двух скоплений проходят друг через друга и создают синие поля. Тогда при чем здесь темная материя? К сожалению, не все так просто. Если принять во внимание, что скопления галактик состоят из огромного количества звезд, сложно толковать изображение Пули без темной материи.