И мы это действительно доказали? Действительно ли результаты наблюдений гравитационного линзирования в скоплении Пуля похоронили модифицированную ньютоновскую динамику? Согласно сторонникам этой теории, это совсем не так. Конечно, в ее рамках все же требуется наличие некоторой невидимой гравитирующей материи, но эта материя может иметь форму нейтрино или холодных компактных объектов – таких же бесстолкновительных, как галактики в сталкивающемся скоплении. К тому же, как отметил Хуншэн Чжао из Сент-Эндрюсского университета в Шотландии в своем докладе на упомянутом в предыдущей главе Боннском семинаре 2019 года, некоторые из теорий такого рода позволяют довольно естественным образом объяснить наблюдаемое распределение массы в скоплении Пуля.
Астрофизик Роберт Сандерс из Гронингенского университета считает весь этот ажиотаж в связи с объявленным доказательством существования темной материи на основании данных наблюдения скопления Пуля результатом мощной рекламной компании НАСА. Он пишет в своей изданной в 2010 году книге «Проблема темной материи»: «Следует помнить, что [этот вывод получен] при неявном предположении, что на рассматриваемых масштабах справедлива общая теория относительности… как и в случае с кривыми вращения вывод о существовании или отсутствии темной материи зависит от принятого закона тяготения». Другими словами, темная материя так и остается теоретической концепцией, придуманной для того, чтобы сохранить нашу приверженность другой теории, описывающей поведение гравитации. Результаты, полученные на основе анализа наблюдений гравитационного линзирования, не противоречат существованию темной материи, но они не позволяют с уверенностью доказать реальное существование этой субстанции. Вывод Сандерса состоит в том, что «единственным доказательством существования небарионной темной материи может быть ее непосредственное обнаружение»11.
Но это никоим образом не умаляет значения гравитационного линзирования для исследования темной материи. Наоборот, в своем обстоятельном обзоре в журнале Reports on Progress in Physics британские астрономы Ричард Массей, Томас Китчинг и Йохан Ричард назвали гравитационное линзирование «самым эффективным методом исследования [темной материи]»12. Так, например, наблюдения сильного гравитационного линзирования (множественные изображения и светящиеся дуги) можно сравнить с детальными предсказаниями распределения массы в расположенных перед линзируемым объектом скоплениях галактик. Результаты такого рода сравнений можно использовать для выбора между разными теоретическими моделями, как это было с успехом сделано в случае шести массивных скоплений галактик в рамках программы Hubble Frontier Fields13.
Потом есть еще и слабое линзирование изображений галактик другими галактиками, при котором слабые искажения формы далеких объектов вызваны не гравитацией целого скопления, как в случае со скоплением Пуля, а искривлением лучей света тяготением одной массивной галактики переднего фона. Такого рода линзирование позволяет изучать гало из темной материи, которыми, как считается, окружены видимые части галактик. Пока что эти наблюдения скорее свидетельствуют в пользу существования таких гало.
Есть еще один вид слабого гравитационного линзирования, позволяющий исследовать распределение темной материи во всей наблюдаемой Вселенной, – так называемый «космический сдвиг», возникающий при прохождении света через неоднородное распределение вещества в пространстве. Этот эффект был предсказан в 1967 году Джимом Ганном. Крупномасштабная структура Вселенной – скопления. Сверхскопления и «великие стены галактик» наряду с огромными практически лишенными галактик пустотами слегка изменяют траектории всех проходящих лучей света. К тому времени, когда луч света далекой галактики достигает нашего телескопа, он оказывается слегка искаженным даже в отсутствие галактик или скоплений непосредственно на луче зрения. Это искажение позволяет судить о распределении как видимой, так и темной материи на луче зрения.
Для наблюдения космического сдвига нужно проанализировать форму миллионов далеких галактик на больших участках неба. Такое стало возможно только с появлением новых приемников излучения – так называемых приборов с зарядовой связью. Космический сдвиг наблюдался как минимум четырьмя независимыми группами астрономов – все они опубликовали свои результаты в мае 2000 года14. С помощью так называемого метода космической томографии по данным измерений космического сдвига для галактик, расположенных на разных расстояниях, можно получить своеобразный скан распределения масс во всей Вселенной. Благодаря космической томографии появилась возможность исследования крупномасштабной структуры в распределении как барионной, так и небарионной материи на разных расстояниях, соответствующих разным эпохам в прошлом (см. главу 22).
Мы живем во Вселенной, где гравитация отклоняет лучи света, фотоны катятся по волнам пространства-времени, галактики искажаются и все вокруг совсем не такое, каким кажется. И все же благодаря созданным астрономами исполинским «очкам» начинает просматриваться реальная картина. Во время моей недавней поездки на «Очень большой телескоп» в сентябре 2018 года – спустя 20 лет после его ввода в эксплуатацию – работа на обсерватории продолжала идти полным ходом. То же самое можно сказать и об изучении гравитационного линзирования, которое стало важной частью космологических наблюдений. Загадка темной материи пока еще не решена, но мы продолжаем двигаться в правильном направлении, и, когда мы достигнем пределов возможностей современных телескопов, они передадут эстафету более мощным инструментам, чтобы прояснить крупномасштабное распределение темной материи.
К востоку от наблюдательной платформы «Очень большого телескопа» хорошо видна расположенная в 20 километрах посреди безводной пустыни плоская вершина Серро-Армасонес, на которой Европейская южная обсерватория строит свой очередной главный инструмент – «Чрезвычайно большой телескоп»15. Этому многофункциональному монстру с главным зеркалом диаметром почти 40 метров суждено на несколько десятилетий стать лучшим наземным телескопом для детального исследования гравитационных линз.
Мне не терпится побывать на его открытии.
14. Культура МАЧО
Ну ладно, бо́льшая часть материи во Вселенной – темная. Как мы уже убедились, этот вывод подтверждают очень убедительные доказательства. Более того, даже химический состав видимой Вселенной (в частности, содержание дейтерия) говорит о том, что количество барионной материи – атомов – слишком мало, чтобы она могла претендовать на роль темной материи. Казалось бы, вопрос решен.
Но погодите. Но если темная материя не может быть только барионной, это еще не значит, что она обязательно вся небарионная. Нельзя полностью исключить возможность существования более привычных форм невидимой материи на меньших масштабах. Например, протяженные гало галактик вроде нашей могут быть полны множеством очень тусклых карликовых звезд или даже «неприкаянных» планет, как это предположили в 1974 году Джерри Острайкер, Джим Пиблс и Амосом Яхил.
Во всяком случае, такого мнения в конце 1980-х годов придерживались многие астрономы. Возможно, это были просто разумный консерватизм и опасение выплеснуть вместе с водой ребенка. Во всяком случае, ученые считали, что, возможно, причина плоских кривых вращения галактик – это не гипотетические вимпы или иные слабовзаимодействующие частицы, а гораздо более крупные и массивные астрофизические объекты, названные МАЧО – массивные компактные объекты гало (massive compact halo objects, MACHO). Этими МАЧО могли быть красные карлики – крохотные звезды, которые гораздо меньше, холоднее и тусклее нашего Солнца. Или, например, коричневые карлики – еще меньших размеров газовые шары с массами и температурой, недостаточными для протекания в их ядрах реакций термоядерного синтеза из водорода. На эту роль могли годиться и старые белые карлики – медленно угасающие и остывающие компактные остатки солнцеподобных звезд или оставшиеся после Большого взрыва сверхплотные нейтронные звезды. Среди МАЧО могли затесаться и оставшиеся после Большого взрыва маломассивные первичные черные дыры. Ну и конечно, по гало галактик могут носиться бесчисленные неприкаянные юпитероподобные планеты, недоступные прямому обнаружению из-за их малых размеров и светимости.
Но если МАЧО слишком слабые и поэтому для нас невидимы – в конце концов, мы здесь говорим о темной материи, – то как астрономы могут доказать их существование? Ответ может вас удивить – посредством гравитационного линзирования. Помните, как Эйнштейн вычислил, как свет далекой звезды может быть искривлен и усилен тяготением расположенной на луче зрения более близкой звезды? Такой же эффект может создать расположенное на луче зрения невидимое МАЧО. Другими словами, при прохождении расположенного в гало нашей Галактики МАЧО перед гораздо более далекой звездой (или другой галактикой) вид этой далекой звезды на короткое время меняется, причем совершенно определенным образом.
Конечно, Эйнштейн писал, что «нет никакой надежды, что это явление когда-нибудь можно будет наблюдать непосредственно», но это было в 1936 году. Он оказался прав в вопросе об эффекте светящегося кольца, но для отдельных звезд кольцо это ненаблюдаемо даже в крупнейшие телескопы из-за его слишком малого размера. Но, как показал норвежский астрофизик Сьюр Рефсдал в опубликованной им в 1964 году статье в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society1, относительно более близкий объект – гравитационная линза – еще и усиливает свет далекой звезды в случае почти идеального расположения на одном луче зрения, и это усиление может оказаться весьма существенным. Рефсдал показал, что прохождение относительно близкой звезды перед расположенной позади нее более (с точки зрения земного наблюдателя) далекой звездой – вовсе «не такое уж и редкое явление. Проблема лишь в том, чтобы найти, где и когда оно произойдет».