Nature они обосновывают это очень просто8. Они вернулись к скоплению галактик в созвездии Волосы Вероники (предмет статьи Фрица Цвикки 1933 года, на которую практически никто не ссылался) и сначала оценили полную динамическую массу скопления на основе скоростей его галактик – именно этот метод использовал в свое время Цвикки. Потом они оценили барионную массу с учетом не только видимых галактик – то есть звезд и туманностей, – но и огромного количества невероятно горячего межгалактического газа, обнаруженного с помощью рентгеновских телескопов. Авторы сравнили две полученные оценки массы и получили, что барионная масса скопления Галактик в созвездии Волосы Вероники составляет около одной шестой части общей массы. Аналогичные оценки были получены и для других скоплений галактик.
Но если, как это следует из расчетов нуклеосинтеза в процессе Большого взрыва, средняя плотность барионной материи составляет всего лишь 5 % от критической плотности, а средняя плотность Вселенной действительно равна критической, то небарионной материи должно быть не в 6, а в 19 раз больше барионной, представленной в виде «нормальных» атомов. А учитывая современные представления о процессе образования скоплений галактик в расширяющейся Вселенной (основанные на компьютерных модельных расчетах вроде тех, которые первой выполнила «Банда четырех»), доля барионной материи в них никак не может оказаться в три раза выше средней по Вселенной. Другими словами, большая доля барионной материи в скоплениях вроде скопления галактик в созвездии Волосы Вероники должна быть равна среднему значению по Вселенной и, следовательно, Вселенная не может иметь критическую плотность.
После того, как в 1998 году было открыто ускорение расширения Вселенной, которое считается вызванным другой таинственной субстанцией – так называемой темной энергией, о которой пойдет речь в главе 15, стало ясно, что суммарная плотность Вселенной намного меньше критической и составляет около 27 % от ее значения. С тех пор во всех компьютерных модельных расчетах роста структуры Вселенной используется именно это значение плотности гравитирующей материи и учитывается вклад темной энергии. Благодаря невероятному увеличению мощности компьютеров эти расчеты, конечно же, гораздо детальнее тех, что в свое время выполнялись «Бандой четырех», и хорошее согласие между результатами современных расчетов и наблюдениями реальной Вселенной очень способствовало всеобщему признанию так называемой конкордантной космологической модели.
Чтобы вы получили представление о достигнутом с начала 1980-х годов прогрессе, давайте взглянем на эпохальный проект компьютерного моделирования «Миллениум» (Millennium Simulation) – эти расчеты были выполнены в 2005 году учеными из так называемого Консорциума Девы (Virgo Consortium)9. Руководителем этого проекта, известного также под названием Millennium Run, был Фолкер Шпрингель из Института астрофизики общества Макса Планка в Гархинге (Германия). Среди соавторов первой статьи с результатами расчетов «Миллениума» – Уайт (научный руководитель Шпрингеля), Френк, Наварро и Эврард10. В отличие от первых модельных расчетов Уайта с Френком, где было всего лишь 32 768 пробных частиц, расположенных в кубической решетке размером 32 × 32 × 32, в расчетах проекта «Миллениум» отслеживалось гравитационное взаимодействие более 10 миллиардов пробных частиц (2160 × 2160 × 2160). И выполнялись эти расчеты не на компьютере VAX с объемом оперативной памяти всего 16 мегабайт, а на суперкомпьютере «Регатта» фирмы «Ай-Би-Эм» (IBM Regatta) с одним терабайтом оперативной памяти (1 терабайт – это примерно миллион мегабайт). При скорости 200 миллиардов операций с плавающей запятой в секунду на выполнение расчетов этот монстр затратил 28 суток – целых 343 000 часов процессорного времени. В результате было получено 27 терабайт данных, которые все предоставлены в распоряжение научного сообщества.
Подобно первым расчетам «Банды четырех», в модели «Миллениум» учитывалось только скучивание темной материи, что сравнительно несложно, потому что приходится учитывать одну лишь гравитацию. Ну а что же с барионной материей? Каким образом каркас из небарионной темной материи обрастает привычными нам атомами? Это намного более сложный вопрос, потому что на атомные ядра (а также на электроны) действует не только гравитация, но также излучение, сопротивление газа, магнитогидродинамические эффекты и т. д. К тому же барионная материя взаимодействует со светом и поэтому может нагреваться и остывать за счет поглощения и излучения.
Совсем недавно астрономам удалось выполнить невероятно громоздкие модельные вычисления, учитывающие все эти факторы. Благодаря разнообразным математическим ухищрениям они теперь умеют моделировать очень сложные процессы вроде охлаждающихся потоков, порожденных взрывами массивных звезд (сверхновых) галактических ветров, а также высокоэнергичных явлений в сверхмассивных черных дырах в ядрах галактик.
В конце 2014 и начале 2015 года две конкурирующие группы опубликовали результаты таких модельных расчетов с учетом эволюции как небарионной, так и барионной материи. Обе эти модели – Illustris и EAGLE (Evolution and Assembly of GaLaxies and their Environments) – представляют собой умопомрачительное турне по пространству-времени начиная с самых первых возмущений плотности в ранней Вселенной и заканчивая образованием карликовых неправильных, великолепных спиральных и объемистых эллиптических галактик11. На момент написания этих строк самая продвинутся модель – это новая версия Illustris – модель IllustrisTNG 2017 года, способная отслеживать поведение более чем 30 миллиардов пробных частиц (представляющих темную материю и газ) в кубической области пространства, к настоящему времени расширившейся до размера почти в миллиард световых лет.
После опубликования в 2015 году модельных расчетов проекта EAGLE в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society один из авторов статьи, Ричард Бауэр из Даремского университета, сказал: «Сгенерированная на компьютере Вселенная совсем как настоящая. Там повсюду галактики всех форм, размеров и цветов, какие я видел в крупнейшие телескопы. Это нечто невероятное»12. «И это еще далеко не конец, – говорит руководитель проекта EAGLE Джон Шай из Лейденского университета, – в принципе можно продолжать до бесконечности, выявляя все более мелкие детали в образовании звезд и планет».
Конечно, не стоит надеяться, что мы в обозримом будущем сможем смоделировать происхождение жизни. Но, пронесясь через миллиарды лет и гигапарсеки в модели IllustrisTNG, увидев, как малые вариации плотности темной материи превращаются в крупномасштабную структуру Вселенной, разглядывая под увеличением спиральную галактику, зарождающуюся на окраине богатого скопления, начинаешь лучше понимать наше место в пространстве и времени. Возможно, именно так все и происходило. Спустя почти 14 миллиардов лет после Большого взрыва на песчинке, что вертится вокруг крохотного светлячка, любознательные существа задумались о своих космических корнях и чудесной связи с большим миром.
Если бы не огромное количество холодной темной материи, которой наполнена Вселенная, нас бы, возможно, и не существовало. И притом, не имея ни малейшего представления об истинной природе темной материи, мы теперь можем быть совершенно уверены, что эта таинственная субстанция есть самая основа нашего бытия.
Или все же нет?
12. Еретики
Мне всегда были симпатичны мятежники в науке. Люди, которые решили плыть против течения. «Все говорят X? А я считаю, что это Y». Это творческие личности, которых не смущают ни яростное сопротивление, ни даже насмешки. И нет, я говорю не о псевдоученых, утверждающих, что пирамиды построили инопланетяне, или ненормальных, пытающихся изобрести вечный двигатель. Я говорю о настоящих ученых, которые ставят под сомнение или даже пытаются ниспровергнуть сложившиеся представления с помощью оригинальных идей и убедительных аргументов. То есть – о бунтарях.
Так что, когда еще подростком я читал первые книги по астрономии, написанные нидерландским учителем и популяризатором науки Тёмме де Фризом, мне особенно нравилась история про Фреда Хойла и его стационарную модель Вселенной, которую он выдвинул в противовес общепринятой теории происхождения Вселенной в результате Большого взрыва. А в середине 1980-х годов меня, тогда еще начинающего научного журналиста, увлекли теории Хэлтона Арпа и Маргарет Бербидж, которые утверждали, что галактики и квазары могут оказаться не такими далекими, как можно судить по их красным смещениям. А что, если эти диссиденты правы? И вскоре после этого я наткнулся на работы израильского физика Мордехая Милгрома – это могло быть упоминание о них в изданной в 1988 году книге «Темное вещество» Уоллеса и Карен Такер1. Вот человек со свежим взглядом на мучительную космическую проблему. Пока астрономы приходили к убеждению, что плоские кривые вращения галактик и динамику скоплений галактик можно объяснить, только если преобладающим компонентом Вселенной является темная материя, Милгром, по словам Такера, «подошел к проблеме с другой стороны и попытался изменить физические законы». Вот это уже действительно ересь.
Хотя если подумать, то в идее Милгрома есть немалый смысл. Скорости галактик в скоплениях слишком большие. Внешние части галактик вращаются слишком быстро. Галактики и группы галактик слишком массивны. С собственно измерениями и оценками-то все в порядке. Ну а как насчет суждений: «слишком большие», «слишком быстро», «слишком массивные»? В основе их всех лежит наша уверенность в том, что мы понимаем, как действует гравитация. Но если на космических масштабах гравитация ведет себя иначе, то, может быть, никакой проблемы-то и нет и для объяснения результатов наблюдений никакая темная материя не нужна?