В статье в одном швейцарском журнале в 1933 году Цвикки писал, что если астрономы не смогут найти объяснение этого несоответствия, то можно прийти к какому-то поразительному выводу, например, что количество светящейся материи в Волосах Вероники ничтожно в сравнении с каким-то типом dunkle Materie – или темной материи. И это – первое использование термина «темная материя» в научной литературе. Правда, годом раньше этот термин был предложен голландским астрономом Яном Оортом, но использовал он его для изложения ошибочной гипотезы. Поэтому отцом темной материи считается Цвикки.
Спустя три года к аналогичным выводам, независимо от Цвикки, пришел другой американский астроном, Синклер Смит, проживавший в Калифорнии. Он занимался изучением скопления Девы, обработал данные его наблюдения. Смит опубликовал соответствующую статью в «Астрофизическом журнале», рассказав об огромной массе межгалактической материи внутри скопления. Масса этого скопления, определенная исходя из скорости движения галактик (так называемая динамическая масса), в 50 раз превышала массу, вычисленную с помощью оценки светимости звезд. В тот же год этой проблемой заинтересовался Эдвин Хаббл и в своей книге «Царство туманностей» написал, что это несоответствие кажется реальным и важным. В 1937 году Фриц Цвикки написал о необходимости дальнейшего глубокого изучения проблемы.
Прогресс в науке весьма специфичен. Люди занимаются вопросами, которые с наибольшей вероятностью дадут какой-то конкретный результат, помогут прийти к каким-то выводам – или теми проблемами, решение которых просто необходимо по каким-то причинам, будь то экономическим, политическим или социальным. В 1930-е годы прошлого века, в особенности в конце десятилетия, когда началась Вторая мировая война, движения плохо понимаемых большинством людей объектов, галактик в возможно случайных скоплениях мало кого волновало. Например, Джим Пиблс считал проблему скрытой массы одной из тем, на которые ученые болтают во время обеденного перерыва или за чашкой кофе – как и о том, что было до возникновения Вселенной.
Космология приобрела статус настоящей науки в конце 1960-х годов, и о проблеме скрытой массы внезапно вспомнили. Более того, ее требовалось решать! Если рассматривать эволюцию Вселенной в больших масштабах, как, например, это делал Пиблс, то никак нельзя проигнорировать поведение крупнейших структур Вселенной, скоплений галактик. Считается, что Джим Пиблс первым использовал термин «темная материя» на английском языке – и первым после Цвикки. Это было сделано в одной из его статей в 1969 году. Пиблс писал о том, что плотность материи в галактиках, возможно, увеличивается за счет темной материи. Но это скорее было исключением из правил.
То, что Пиблс видел в скоплениях галактик, он стал видеть и в отдельных галактиках. А что если скрытая масса не является проблемой только одних скоплений галактик? А если это проблема и отдельных галактик? И одна и та же проблема?
Коллега по Принстонскому университету астроном Иеремия Острикер как-то заглянул к Пиблсу и признался, что он не понимает кое-что в поведении Млечного Пути. Острикер занимался вращающимися небесными телами еще со времени учебы в Кембридже. Он написал диссертацию о вращающихся звездах. Уже в XIX веке ученые знали, что если вращать изначально сферическую каплю жидкости, она станет сплющенной у полюсов, а в конце концов сожмется в форме бруска или стержня. Острикер смотрел на звезды как на капли жидкости, то есть сжимаемые объекты, и пришел к выводу, что со временем они должны сплющиваться у полюсов.
Острикер сказал Пиблсу, что посмотрел на Млечный Путь и на другие спиральные галактики, о тысячах которых астрономы уже собрали сведения, как на плоский диск. Острикер считал, что Млечный Путь уже должен был сжаться или распасться на две галактики после первого круга. Тем не менее ко времени разговора двух ученых Млечный Путь совершил уже, по крайней мере, несколько дюжин вращений. Острикер решил, что здесь что-то не так. Пиблс согласился, построил модель Млечного Пути и запустил вращение. Модель, созданная на основании имевшейся информации, показала, что катастрофа случилась бы во время первого круга продолжительностью 200 миллионов лет. Что-то обеспечивало стабильность, например, какая-то окружающая масса, которая удерживала Млечный Путь гравитационно. Они ничего такого не видели в телескопы – по крайней мере, тогда. Но что-то там должно было быть! И это что-то Пиблсу и Острикеру следовало встроить в программу.
Они решили окружить видимую галактику этой массой и посмотреть, что произойдет. Если вращающийся диск стабилизируется, они станут сокращать гало до тех пор, пока не случится дестабилизация. Если же они запустят диск и он не стабилизируется, они станут расширять гало. Ученые использовали все больший гало, и система стабилизировалась только когда масса невидимого гало стала примерно соответствовать видимым частям галактики. В результате они пришли к выводу, что массы гало нашей и других спиральных галактик, находящихся вне наблюдаемых дисков, могут быть невероятно большими. И написали об этом совместную статью.
На следующий год Пиблс и Острикер занялись анализом наблюдений, уже сделанных астрономами, исследовали данные по отдельным галактикам, потом данные по бинарным галактикам – парам галактик, где каждая тесно гравитационно взаимодействует с другой. В итоге ученые сделали простое заявление: у них еть основания считать, что массы обычных галактик могут быть недооценены, причем раз в десять, а то и больше.
Продолжение исследований Веры Рубин
Вера Рубин была одной из немногих, кто посчитал статьи Пиблса и Острикера блестящими. Она знала и о работах Цвикки и Синклера, которые пришли к выводу, что столь серьезное расхождение невозможно объяснить погрешностью расчетов, поэтому Млечный Путь и некоторые спиральные галактики содержат несветящееся вещество, масса которого значительно превышает массу звезд. Другие астрономы отнеслись к статьям Пиблса и Острикера, мягко говоря, не очень тепло, а то и откровенно враждебно. Ведь получалось, что все годы астрономы изучали лишь 10 % того, что фактическим имелось на небе. Также большинство ученых не задумывались о взаимоотношении гравитации и галактик.
Об этом думала Вера Рубин. После того как они с Кентом Фордом закончили работу по туманности Андромеды, она снова обратилась к вопросу, над которым впервые задумалась еще перед получением степени магистра. Вселенная вращается или нет? Теперь Рубин формулировала вопрос и по-другому: распределение галактик и их скорость предполагают отсутствие единообразия за нашим участком Вселенной? То есть Вселенная не так проста, как ученые думали изначально?
Со времени первого выступления Веры Рубин на заседании Американского Астрономического Общества прошло 20 лет. Она стала известным ученым, ее находки подтвердили другие астрономы, в частности, Жерар-Анри де Вокулёр, с которым она вела постоянную переписку, опубликовал несколько работ, демонстрируя результаты, аналогичные ее собственным. К 1970-м годам вопрос неединообразного распределения галактик в ближайшей к нам части Вселенной уже не вызывал споров. Большинство астрономов приняли доказательства и смирились с тем, что некоторые галактики собираются в группы (скопления) в то время как вся Вселенная в целом расширяется. Однако большинство ученых считали, что на значительном удалении Вселенная будет единообразной во всех направлениях. Рубин, Форд и дочь Веры Юдифь, которая тогда была студенткой, но уже присоединились к работе матери, задались вопросом: а галактики действительно ведут себя таким образом?
Первая совместная работа была опубликована в 1973 году, предварительные данные оказались поразительными! Казалось, что группа галактик несется в одну из частей неба. Большая часть научного сообщества опять отвергла выводы Веры Рубин. Некоторые известные астрономы даже советовали ей прекратить исследования в этом направлении, чтобы не сломать свою карьеру. Но они с Фордом упрямо продолжали работу и в 1976 году опубликовали все полученные данные. Вера Рубин к тому времени устала от критики чуть ли не каждого своего шага. По ее словам, она недостаточно умна, чтобы объяснить, почему Вселенная такая, какая она есть. Но она такая.
Рубин и Форд продолжали наблюдения. Они находили подтверждения увиденного в туманности Андромеды, о чем писали еще в 1970 году, и того, что им показал Мортон Робертс в результате радионаблюдений той же галактики. Явления повторялись. Полной аналогии с планетарными системами в спиральной туманности Андромеды не существует. В результате измерений скоростей звезд и газовых облаков туманности Андромеды оказалось, что вдали от ее центра эти скорости примерно постоянны. Скорость планеты, обращающейся вокруг одиночной звезды, обратно пропорциональна квадратному корню из радиуса ее орбиты. Значит, по мере увеличения расстояния она монотонно убывает. Это связано с тем, что сила тяготения звезды убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, а других источников тяготения в этой системе нет. С другой стороны, основная масса галактики приходится на звезды и газовые скопления, находящиеся на значительных расстояниях от ее ядра. Поэтому скорости внутригалактических объектов по мере удаления от ядра должны возрастать, достигнуть максимума, а затем убывать до очень малых значений. Вот этого как раз обнаружить и не удалось: после прохождения максимума скорости уменьшались, однако к нулю не стремились.
«Наука развивается лучше всего, когда наблюдения заставляют нас изменить восприятие» – Вера Рубин
В целом Рубин и Форд изучили 60 галактик. В 1974 году они использовали уже новый 4-метровый телескоп, установленный в Национальной обсерватории Китт-Пик, диаметр которого в два раза превышал диаметр телескопа, с помощью которого они наблюдали за туманностью Андромеды. С помощью нового телескопа и спектрографа Форда они смогли изучать галактики, находящиеся глубже во Вселенной и дальше по рукавам спиралей.