В 2007 году, когда я брал у него интервью для журнала Sky & Telescope, отец-основатель модифицированной ньютоновской динамики считал, что вопрос с этой теорией решится лет за 2012. Тогда Милгрому было 60 лет, и он сказал мне, что надеется дожить до ответа. Я тоже на это надеюсь, но не уверен в этом. Даже если темной материи не существует, она уже овладела умами большинства астрофизиков и космологов. Как написал в своей книге «Проблема темной материи» Роберт Сандерс, наука, в сущности, деятельность социальная, и если все сообщество заблуждается, то вернуть его на путь истинный очень нелегко13.
Кто-то считает теорию MOND глупой и высосанной из пальца идеей вроде светоносного эфира или плоской земли. Но она также может оказаться великой новой концепцией, как гелиоцентрическая картина мира или дрейф континентов. Пока что все мы бродим в потемках.
13. За линзой
Немногим более 20 лет назад дорога, ведущая к крупнейшей астрономической обсерватории, еще представляла собой восемь километров камней, гравия и колдобин на юго-юго-запад от чилийской автострады «Рута Синко» на фоне фантастического «марсианского» пейзажа. Автобус с астрономами, чиновниками и журналистами двигался не спеша, с тряской и грохотом.
5 марта 1999 года мы присутствовали на открытии «Очень большого телескопа» (Very Large Telescope, VLT) Европейской южной обсерватории – комплекса из четырех одинаковых инструментов на высоте 2635 метров на вершине Серро-Паранал посреди абсолютно сухой чилийской пустыни Атакама. Эти четыре телескопа – каждый в отдельном здании 30-метровой высоты – способны работать не только независимо друг от друга, но и совместно так, чтобы получать самые четкие изображения Вселенной с помощью интерферометрического метода, заимствованного из радио-астрономии.
Ко времени открытия обсерватории – для этого сюда на вертолете прилетел президент Чили дон Эдуардо Фрей Руис-Тагле – астрономы и инженеры успели выполнить пробные наблюдения на телескопе «Юнит‑1» (Unit 1). Теперь настало время первых настоящих научных наблюдений. Второй телескоп еще только увидел первый свет, а строительство третьего близилось к завершению. Корпус четвертого телескопа был еще в значительной степени недостроен.
Это было веселое мероприятие с великолепной едой и вином, но предшествовавшие ему дни были еще замечательнее благодаря полученным научным результатам. Километров 140 к северу от Параналя в Католическом университете Севера (Universidad Catolica del Norte) в шумном портовом городе Антофагаста несколько десятков ученых собрались на четырехдневный симпозиум «Наука в эпоху VLT и после». Астрономы обсудили блестящие перспективы нового инструмента и представили первые результаты, полученные на этапе ввода в эксплуатацию телескопа «Юнит‑1», чтобы подогреть интерес астрофизиков и космологов.
Испанский астроном Росер Пельо в своем докладе «Исследование далеких галактик с помощью линзирующих скоплений» представила спектроскопические наблюдения далекой галактики на южном небе. Она объяснила, что измерить красное смещение галактики, согласно которому расстояние до нее составляет около 11,5 миллиарда световых лет, удалось исключительно благодаря тому, что очень слабое изображение этой звездной системы оказалось искажено и усилено полем тяготения расположенного перед ней массивного скопления галактик под названием 1E0657–558 – это явление называют гравитационным линзированием.
Я тогда и не подозревал, что благодаря своим линзирующим свойствам это скопление галактик попадет на страницы практически всех учебников астрономии как убедительное доказательство существования таинственной темной материи. Собственно говоря, считается, что 1E0657–558, больше известное как скопление галактик Пуля, похоронило модифицированную ньютоновскую динамику, хотя, как вы, наверное, уже поняли из предыдущей главы, не все с этим согласны.
Концепция гравитационного линзирования как следствия кривизны пространства-времени имеет долгую историю. Первым о возможности искривления лучей света гравитацией задумался Альберт Эйнштейн, и было это в 1912-м, за три года до создания им общей теории относительности. Его предсказания замечательно подтвердились во время полного солнечного затмения 29 мая 1919 года, когда британский астроном Артур Эддингтон установил, что три звезды, которые находились вблизи покрытого Луной солнечного диска, слегка сместились относительно своего исходного положения, как если бы их рассматривали в лупу.
Гораздо позже Эйнштейн получил подсказку с совершенно неожиданной стороны: от чешского иммигранта и бывшего инженера по имени Руди Мандл, который зарабатывал себе на жизнь тем, что мыл посуду в вашингтонском ресторане. Как-то раз, приехав в Принстон, Мандл попросил Эйнштейна рассчитать, что получится в результате гравитационного искривления лучей света, если две звезды находятся в точности на одной линии с Землей. Свет от более далекой звезды A, направленный прямо на Землю, конечно же, не дойдет до нас, потому что упрется в обратную сторону более близкой звезды B. А вот луч, идущий из звезды A под небольшим углом к направлению на Землю, пройдет вблизи звезды B, будет отклонен под действием ее притяжения и дойдет до Земли.
Идея эта заинтересовала Эйнштейна, и он выполнил соответствующие расчеты и опубликовал полученные результаты в 1936 году в короткой заметке в журнале Science1. Как написал Эйнштейн, «из закона отклонения следует, что наблюдатель, расположенный в точности на продолжении центральной линии AB, увидит не точечную звезду A, а светящуюся (sic!) окружность… вокруг центра B». Иными словами, далекая звезда будет выглядеть как маленькое светящееся кольцо вокруг более близкой звезды.
К сожалению, из расчетов Эйнштейна следовало также, что этот «самый любопытный эффект» ненаблюдаем: видимый диаметр светящегося кольца слишком мал. Всего год спустя Фриц Цвикки отметил, что эффект вполне может оказаться наблюдаемым для объектов других типов. Например, галактики – «туманности», как он продолжал называть их, – вполне могли представлять интерес для наблюдения искривления лучей света, причем величина и геометрические особенности эффекта будут зависеть от массы переднего объекта.
Цвикки сформулировал эту идею и ввел сам термин «гравитационная линза» в краткой заметке (письме в редакцию) в журнале Physical Review2. Он также понял, какие возможности гравитационное линзирование открывает для исследования темной материи. Напомню, что в своей работе, посвященной скоплению галактик в созвездии Волосы Вероники, о которой шла речь в главе 3, он предположил, что галактики могут оказаться гораздо массивнее, чем можно судить по их видимому содержанию. Согласно Цвикки, «наблюдения отклонения света вблизи туманностей могут стать самым прямым способом определения их масс и устранить… [имеющиеся] расхождения».
Из расчетов следовало, что идеальное светящееся кольцо – сейчас его называют кольцом Эйнштейна – наблюдается, только если далекий излучающий объект и более близкий линзирующий объект представляют собой точечные источники, расположенные в точности на одном луче зрения. В других случаях – когда мы имеем дело c неидеальной конфигурацией протяженных объектов вроде галактик – возможно появление на небе нескольких изображений одного и того же объекта или же изображение может иметь вид нескольких дугообразных фрагментов. Но на протяжении многих десятков лет все это оставалось на уровне теоретических рассуждений. И только в 1979 году, после смерти Цвикки, британский радиоастроном Дэнис Уолш с коллегами обнаружил первую гравитационную линзу, которая оказалась двойным квазаром в созвездии Большой Медведицы3.
Квазары (квазизвездные радиоисточники) представляют собой сияющие ядра далеких галактик. Они встречаются по всему небу, но вероятность обнаружения двух настолько похожих в такой близости друг от друга чрезвычайно мала. Угловое расстояние между этими двумя квазарами-близнецами, удаленными на миллиарды световых лет от нас, составляло менее 6 угловых секунд – это как если бы мы наблюдали свет фар автомобиля с расстояния около 300 километров. Такое расположение крайне маловероятно, и поэтому Уолш с коллегами не были уверены, что наблюдают два разных квазара. Но в сообщении об этом открытии, которое они опубликовали в журнале Nature, авторы не стали делать поспешных выводов о характере наблюдаемого объекта.
Последующие наблюдения подтвердили высказанную ими догадку, что два квазара на самом деле представляют собой один и тот же объект, «раздвоившийся» из-за гравитационного линзирования, вызванного тусклой галактикой, расположенной между квазаром и Землей. Эту галактику удалось разглядеть на снимках с длительной экспозицией, полученных на крупных телескопах.
С тех пор астрономы нашли еще много других гравитационных линз, в том числе несколько крестов Эйнштейна (четыре изображения одного далекого источника), протяженные светящиеся дуги (сильно искаженные изображения далеких галактик) и даже сплошные кольца Эйнштейна. Сейчас наблюдение таких «сильных» гравитационных линз – обычное дело, особенно для космического телескопа «Хаббл» с его орлиным зрением. Большинство линз обнаруживают в богатых скоплениях галактик – искривление лучей света в основном обеспечивается общей массой скопления, а отдельные галактики отвечают за особенности наблюдаемой картины.
Но множественные изображения, светящиеся дуги и кольца – это всего лишь верхушка айсберга. Кроме сильного есть еще и слабое гравитационное линзирование, порождающее менее заметные искажения изображений далеких галактик. Оно может вызываться расположенной на луче зрения самого разного рода гравитирующей материей – ведь, например, межгалактическое пространство заполнено разреженным газом и уже поэтому пространство-время не бывает идеально «плоским». По этой причине, как астроном Джеймс Ганн понял еще в 1967 году, изображение любой далекой галактики в какой-то степени искажено