Вокруг черного силуэта Луны мягким светом вспыхивает горячая разреженная солнечная атмосфера – великолепная серебристо-белая корона, которая в обычное время теряется на фоне яркого сияния Солнца. На какие-то 146 секунд невидимое становится видимым для всех невооруженным глазом.
Это потрясающе красивое зрелище.
7. Барионы Большого взрыва
Я увлекся астрономией в марте 1972 года. Мне тогда было 15 лет. Во дворе Уима Гилинга – любителя астрономии, жившего в деревне, где я вырос, я впервые посмотрел на Сатурн в приличный телескоп. Я так никогда и не пришел в себя от этого зрелища. Вскоре я вступил в юношеский астрономический клуб, стал делать карандашные наброски лунных кратеров и учиться ориентироваться в созвездиях с помощью «Нортоновского справочника с атласом неба» (Norton’s Sky Atlas and Reference Handbook).
Я и не подозревал в то время, что как раз тогда стала оформляться тайна темной материи. В 1972 году Пиблс с Острайкером, проанализировав свои модельные расчеты вращающихся дисков галактик, обнаружили, что эти звездные системы не могут быть устойчивыми в отсутствие большого количества дополнительного вещества. Рубин с Фордом приступили к измерению кривых вращения спиральных галактик, расположенных дальше галактики Андромеды, и обнаружили, что они тоже вращаются быстрее, чем должны. Хотя в посвященных астрономии изданиях, которые я тогда читал, ничего про темную материю еще не говорилось, астрономическое сообщество стало постепенно осознавать, что эта проблема так просто не рассосется.
Я также не понимал, что это было время, когда космология стала зрелой наукой. «Физическая космология» Пиблса вышла в том самом году, когда меня охватило астрономическое вдохновение. Открытие фонового реликтового излучения в 1964 году – всего лишь за семь с половиной лет до того, как я увидел Сатурн, – стало убедительным наблюдательным свидетельством в пользу теории Большого взрыва.
Но у всех этих событий была 50-летняя предыстория. Еще в первые два десятилетия XX века американские астрономы обнаружили, что другие галактики удаляются от нашей. Вскоре после этого бельгийский физик-теоретик Жорж Леметр выдвинул концепцию расширяющейся Вселенной, которая, по его мнению, родилась из «первичного атома», или «космического яйца». Наука предложила свою версию Сотворения мира, но астрономы не приняли ее покорно, как истину в последней инстанции, а принялись наполнять содержанием, проверять ее следствия, в том числе и наблюдаемые.
Тогда ученые еще не знали, что их усилия на каком-то этапе – а именно в начале 1970-х годов – приведут к проявлению совершенно нового набора свидетельств существования темной материи. Темной материи из элементарных частиц.
Вселенная не была сотворена неким божеством 6000 лет назад, и если она не существовала всегда, то мы больше не можем отмахиваться от вопроса о том, как и почему она пришла в современное состояние. В частности, физики в XX веке начали интересоваться химическим составом Вселенной.
В 1925 году Сесилия Пейн установила, что Солнце – а значит, и все остальные звезды во Вселенной – состоит в основном из самого легкого элемента, водорода1. Пейн напоминает Веру Рубин, но она была гораздо раньше. В молодости она изучала химию и физику. Но в то время Кембриджский университет не присуждал ученые степени женщинам, и поэтому в 1923 году Пейн перебралась в США, где стала первой женщиной, получившей степень доктора философии в области астрономии в Гарвардском университете.
Революционная работа Пейн вначале натолкнулась на сильное сопротивление, особенно со стороны влиятельных астрофизиков-мужчин. Но через каких-то два года этот результат стал общепризнанным, а в конце 1930-х Карл Фридрих фон Вайцзеккер и Ханс Бете показали, каким образом при огромной температуре и давлении в солнечном ядре протоны (ядра атомов водорода) могли сливаться, образуя более тяжелые ядра гелия. Как еще в 1920 году предполагал знаменитый британский астрофизик Артур Эддингтон, этот процесс сопровождается выделением энергии. Эддингтон утверждал в своей очень убедительной статье «Внутреннее строение звезд», опубликованной в журнале Nature, что «субатомная энергия в звездах служит для поддержания горения их огромных печей», хотя он тогда еще не знал, из чего состоит Солнце2.
Замечательно, значит, водород может превращаться во второй по легкости элемент – гелий. Возможно, в ходе последующих ядерных реакций могут образоваться и другие легкие элементы, включая углерод, азот и кислород. А как быть со многими более тяжелыми элементами периодической таблицы, такими как сера, железо, золото и уран? В масштабах Вселенной они, конечно, не очень распространены, но все равно надо как-то объяснить их происхождение.
Сразу же после окончания Второй мировой войны астрономы и физики предложили два совершенно разных объяснения. Согласно одной гипотезе, впечатляющее разнообразие химических элементов в природе – это результат ядерных реакций слияния в горячей и плотной первичной материи. В конце концов, условия в новорожденной Вселенной были очень похожи на условия в солнечном ядре, и поэтому естественно ожидать, что там могли протекать похожие реакции. Эта точка зрения была сформулирована в знаменитой статье, опубликованной в 1948 году в журнале Physical Review, известной также как статья αβγ3. (Статья вышла 1 апреля, но это, скорее всего, просто совпадение.)
Я неоднократно слышал и читал про эту статью («Происхождение химических элементов»). Я знаю историю советско-американского ядерного физика и шутника Георгия Гамова, который написал ее вместе со своим аспирантом Ральфом Альфером и добавил в список авторов имя своего друга и коллеги Ганса Бете, чтобы получились первые три буквы греческого алфавита. Но я только недавно удосужился взглянуть на саму статью. К моему удивлению, она оказалась короткой заметкой: около 600 слов, два уравнения и один график.
А конкурирующая гипотеза, согласно которой все тяжелые элементы были синтезированы в недрах звезд, наоборот, представлена рядом весьма обстоятельных статей, написанных критически настроенным британским астрономом Фредом Хойлом, в том числе в соавторстве с другими учеными. Хойл никогда не верил в леметровский первичный атом или космическое яйцо, как бы это ни называлось. В интервью радиостанции BBC 28 марта 1949 года он даже попытался высмеять эту теорию, назвав ее «Большим взрывом» – это словосочетание оказалось настолько удачным, что лучшего термина для зарождения Вселенной никто так и не смог придумать.
Хойл не верил, что все вещество в мире было создано одновременно миллиарды лет назад, а считал, что во Вселенной все время возникают новые атомы водорода, так, что ее средняя плотность остается постоянной, несмотря на общее расширение. В этой так называемой стационарной модели, которую он опубликовал в 1948 году вместе со своим коллегой из Кембриджа Томасом Голдом, не было места нуклеосинтезу – синтезу новых атомных ядер – в первичном взрыве. Вместо этого все атомы тяжелее водорода синтезировались в недрах звезд.
В 1946-м, за два года до появления статьи αβγ, Хойл уже опубликовал в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 40-страничную статью про звездный нуклеосинтез. Спустя восемь лет появилась написанная им 25-страничная статья в журнале Astrophysical Journal Supplement с дополнительными подробностями. Потом он вместе с американским физиком Вилли Фаулером и британско-американскими астрофизиками Маргарет и Джефри Бербидж написал монументальную эпохальную статью для журнала Reviews of Modern Physics4.
Опубликованную в октябре 1957 года статью «Синтез элементов в звездах» впоследствии стали называть B2FH – по первым буквам фамилий четырех ее авторов. Это еще одна веха в истории астрофизики и еще одно причудливое сокращение. Но в отличие от статьи αβγ всего из четырех абзацев, статья B2FH заняла целых 108 страниц – в ней 13 глав, множество графиков, уравнений, таблиц и диаграмм ядерных реакций.
Теперь мы знаем, что Альфер с Гамовым были правы, утверждая, что гелий образовался во время Большого взрыва, а последующий нуклеосинтез добавил лишь небольшое количество этого элемента. Но Бербиджи, Фаулер и Хойл попали в самую точку, утверждая, что такие элементы, как углерод, азот, кислород, натрий, алюминий, кремний, хлор и даже железо синтезируются в ядерных котлах в недрах звезд – великих печах Эддингтона.
Статься B2FH начинается с удачной цитаты из шекспировского «Короля Лира»: «В небе звезды Судьбою нашей сверху руководят» [12]. И они-таки руководят, не в астрологическом, а самом буквальном смысле: то, из чего мы состоим: атомы углерода в наших мышцах, кальций у нас в костях, железо в нашей крови – все это возникло в звездах. Как поется в балладе «Вудсток», написанной в 1969 году фолк-рок-певицей Джони Митчелл, «мы звездная пыль, мы углерод, которому миллиард лет».
Ну хорошо, значит, описанная во всеобъемлющей статье B2FH теория звездного нуклеосинтеза говорит нам о происхождении привычного окружающего нас мира – атомов, из которых состоят мыши, мотоциклы и горы. Но чтобы узнать больше о загадочной темной материи в нашей Вселенной, придется, как это понял Пиблс сразу же после открытия фонового реликтового излучения, снова обратиться к короткой статье αβγ.
Это открытие Арно Пензиаса и Роберта Уилсона (кратко описанное в главе 1), которое они сделали в 1964 году, забило третий (и последний) гвоздь в гроб стационарной модели Хойла и Голда. Первым было постепенное осознание наличия во Вселенной большого количества гелия – около 24 %массы всех атомов приходится на второй по легкости элемент. (Почти 75 % массы всех атомов сосредоточено в атомах водорода, на все остальные элементы вместе взятые приходится менее 2 %.) Да, конечно, гелий синтезируется также и в раскален