Эпохальная статья «Численное исследование устойчивости уплощенных галактик, или Возможно ли выживание холодных галактик» цитируется во всех обзорах, посвященных изучению темной материи. И авторы всех таких обзорных публикаций напоминают, что Острайкер и Пиблс первыми показали, что галактики вроде нашей могут быть устойчивыми только при наличии огромного массивного гало из темной материи. (Позднее выяснилось, что случайные высокоскоростные движения в ядрах галактик тоже могут обеспечить устойчивость плоских вращающихся дисков, но большинство астрономов все же считают правильной именно первоначальную догадку.) При этом в 14-страничной статье ни разу не встречается словосочетание «темная материя». Хотя ученые и начали рассматривать гало как возможные вместилища темной материи, в 1973 году Острайкер с Пиблсом не хотели заходить так далеко. Было, конечно, очевидно, что заключенная в гало масса не должна была сильно излучать свет, – в конце концов мы не видим, чтобы спиральные галактики были окружены сияющими сферами. Но кто знает, быть может, все объясняется большим количеством очень тусклых звезд.
Так художник изобразил окружающее спиральную галактику наподобие нашей невидимое гало из темной материи (в виде размытого облака)
На самом деле астрономы уже знали, что у галактик есть гало – этот термин был впервые употреблен в 20-х годах прошлого века – а также что в этих гало обитают звезды. Например, десятки так называемых шаровых скоплений, каждое из которых состоит из огромного числа – до нескольких сотен тысяч – звезд, клубятся роем вокруг центра Млечного Пути, образуя близкую к сферической подсистему с сильной концентрацией к галактическому ядру. С точки зрения Острайкера и Пиблса, в гало вполне могло быть бесчисленное множество тусклых карликовых звезд, суммарная масса которых достаточна для обеспечения устойчивости Млечного Пути. Как писал еще в 1965 году Ян Оорт, «согласно оценкам, на [оранжевые и красные карликовые звезды] может приходиться около 5 % всей массы Галактики. Но невозможно оценить, какая еще масса сосредоточена в звездах меньшей светимости. Истинная масса гало остается совершенно неизвестной»6.
Ну и каковы же массы гало галактик? Или, другими словами, каковы массы спиральных галактик? Этому была посвящена вторая, гораздо более краткая статья Острайкера и Пиблса, опубликованная ими в 1974 году в соавторстве с израильским астрофизиком Амосом Яхилом, который в то время был приглашенным исследователем в Принстонском университете7. Острайкер считает эту статью более важной, чем первая. Но до начала конференции по черным дырам в том же самом корпусе Пьюпина остается всего около 15 минут, так что времени на более подробное обсуждение нет. «Почитайте статью», – говорит Острайкер.
Это дерзкая статья со смелым названием – «Размеры и массы галактик и масса Вселенной» – и к тому же со множеством радикальных утверждений. Уже самая первая строка вполне могла огорошить некоторых читателей в 1974 году. «Есть все больше оснований (и все более весомых) считать, что оценки масс обычных галактик занижены как минимум в 10 раз». Всего на четырех страницах Острайкер, Пиблс и Яхил подытожили разнообразные свидетельства того, что хлипкие на вид спиральные галактики на самом деле могут оказаться самыми настоящими тяжеловесами. Гораздо более массивными, чем можно судить на первый взгляд.
Галактику не положишь на весы, но есть другие способы оценки ее массы. Достаточно просто посмотреть, насколько сильно она притягивает своих соседей. Наша Галактика – Млечный Путь – окружена карликовыми галактиками. Размеры – и сравнительно четкие границы – этих спутников определяются соотношением между их собственным внутренним тяготением и массой Млечного Пути. Динамика малых групп галактик и обращающихся вокруг друг друга пар галактик служит источником информации о массах других таких звездных систем. И везде мы видим одно и то же: получаемые на основе этих данных оценки масс намного больше ожидаемых на основании наблюдаемого света. Или, на языке астрофизиков, мы везде обнаруживаем очень высокое отношение массы к светимости.
Что касается притяжения, то наш Млечный Путь и соседняя галактика Андромеды дают еще одно свидетельство в пользу огромных масс галактик. Несмотря на общее расширение Вселенной, в настоящее время эти две спиральные галактики под действием взаимного притяжения сближаются со скоростью 110 км/с. Еще в 1959 году Франц Кан из Манчестерского университета и астрофизик из Лейдена (а также ученик Оорта) Лодевик Вольтер пришли к выводу, что большую скорость сближения можно объяснить только предположив, что суммарная масса двух галактик и расположенного между ними вещества составляет порядка триллиона масс Солнца – то есть опять получается очень большое отношение массы к светимости8.
Что касается меньших масштабов, то из результатов тогда еще новых радиоастрономических наблюдений (о которых подробнее пойдет речь в главе 8) следовало, что и у самих спиральных галактик должно быть большое отношение массы к светимости. Согласно этим предварительным результатам, внешние области спиральных галактик вращаются слишком быстро – а это говорит о том, что в них сосредоточена большая масса. Иначе они бы просто распались. И при этом начиная с определенного расстояния от центра яркость галактики резко снижается. Так что и в этом случае количество излучаемого света не согласуется с требуемым значением массы.
Более сильное притяжение, бо́льшие размеры и масса. Похоже, что астрономы сильно недооценили галактики и силу притяжения материи. И где же могла скрываться вся эта малоизлучающая материя? Правильно – конечно же в гало, которое, как показали Острайкер с Пиблсом, необходимо в первую очередь для обеспечения устойчивости звездной системы. В своей работе 1974 года с Яхилом они предположили, что гало галактик могут состоять в основном из звезд низкой светимости (в этой второй статье темная материя не упоминается вовсе), но теперь появились основания для серьезного беспокойства. Десятикратное увеличение оценки массы – откуда же взять столько карликовых звезд?
Но в названии статьи есть еще и вторая часть: масса Вселенной. Если известно среднее значение отношения массы к светимости для галактик, то, оценив число галактик в пределах определенного расстояния, нетрудно рассчитать среднюю плотность в ближней части Вселенной (даже я могу это сделать). Острайкер, Пиблс и Яхил получили величину 2 × 10–30 граммов на кубический сантиметр, то есть около одного атома водорода на кубический метр – это если размазать массу всех галактик по пространству. В своей статье в журнале Nature трое эстонских астрономов – Яан Эйнасто, Антс Каасик и Энн Саар – независимо пришли к такому же заключению9.
Но эта величина при всей ее малости представляется невероятно большой. В начале 70-х годов прошлого века космологи и физики-ядерщики начали приходить к пониманию процессов синтеза химических элементов во время Большого взрыва, и из сравнения полученных результатов с наблюдаемым содержанием дейтерия (тяжелого водорода) во Вселенной получалась гораздо меньшая оценка современной плотности Вселенной. (Подробнее об этом рассказывается в главе 7.) Другими словами, выглядело все так, будто для объяснения полученных Принстонской группой и эстонскими астрономами оценок масс галактик во Вселенной не хватает атомов.
Материя, но не такая, какой мы ее знаем.
Острайкеру пора идти. Он дает мне книгу «Сердце тьмы» (Heart of Darkness), которую он написал в 2013 году вместе с британским астрономом и популяризатором науки Саймоном Миттоном10. Уже в лифте Острайкер рассказывает мне о своем докладе на ежегодной конференции Национальной академии наук в 1976 году в Вашингтоне, где он представил свое совместное исследование с Пиблсом и Яхилом. «Гораздо позже кто-то спросил меня, почему я не упомянул в этом докладе работу Веры Рубин». Я понимающе киваю – разве не она первой обнаружила, что внешние области галактик вращаются слишком быстро? «Вера была выдающимся астрономом, – продолжает Острайкер, – но в то время в ее распоряжении были лишь предварительные результаты. Статья, принесшая ей заслуженную славу, была опубликована лишь в 1980 году».
Я покинул Колумбийский университет в некотором замешательстве. К сожалению, у меня нет возможности поговорить с Верой Рубин – она умерла в 2016 году. Но есть еще ее соавтор Кент Форд – а что расскажет он? Сидя в кафе Starbucks напротив Бродвея, я проверил электронную почту и привел в порядок свои записи. Столько всего произошло в 1970-х годах, почти полстолетия назад. Так много удивительных результатов, и все они указывали на то, что наша расширяющаяся Вселенная находится под властью темной таинственной субстанции, которая совсем не похожа на материю, из которой состоят звезды, планеты и люди.
За окном был январский мороз, и мимо проходили небольшие компании студентов, молодые родители с детьми, спешили по делам бизнесмены и проезжали бесчисленные автомобили и такси. Мы все стараемся устроить свою жизнь как можно лучше и в большинстве своем не имеем представления о нашем месте в галактике Млечный Путь, не говоря уже об окружающей ее огромной темной оболочке. И совершенно не подозреваем, что без этой субстанции нас бы попросту не существовало.
Она так важна, и при этом мы не знаем, что это такое.
Я гляжу на последние строки стихотворения «Темная материя и темная энергия», которое Алисия Острайкер написала в том самом году, когда ее муж стал одним из лауреатов престижной премии Грубера по космологии. Это прекрасные строки, но и они не дают ответа.
“
вот так же каждый человек и каждый атом летит сквозь пространство, укутанный незримым гало; эта огромная тень – это темная-претемная материя, милый, а тем временем галактики, каждая в своем роскошном защитном пузыре, свирепо таращатся друг на друга и все-таки волей-неволей горделиво расходятся в разные стороны