И это еще не все. Мелкие галактики противоречат предсказаниям теоретических моделей еще в одном отношении. Эта последняя загадка никак не связана ни с физическими, ни с динамическими свойствами карликовых галактик – проблема в их трехмерном пространственном распределении. Проще говоря, их нет там, где они должны быть.
В выполненных на суперкомпьютерах подробных модельных расчетах роста структуры Вселенной, таких как IllustrisTNG и EAGLE, большие галактики вроде нашей собственной оказываются со всех сторон окруженными огромным множеством субгало из темной материи, которые проявляются в виде карликовых галактик. В реальной же Вселенной карликовые галактики не просто весьма малочисленны, они не окружают свои хозяйские галактики равномерно со всех сторон. Большинство галактик-спутников располагаются в пределах уплощенного диска, плоскость которого не совпадает с плоскостью симметрии хозяйской галактики. Как ни старались специалисты по астрофизическим расчетам настроить используемые программы, добиться воспроизведения реального распределения в моделях так и не удалось. Это так называемая «проблема плоскости галактик-спутников».
Еще в 1976-м, когда были известны лишь восемь спутников нашей Галактики (включая Магеллановы Облака), британский астрофизик Дональд Линден-Белл обратил внимание на то, что эти спутники расположены более или менее в одной плоскости, которая примерно перпендикулярна плоскости симметрии Млечного Пути. Но первое подробное исследование этой проблемы было выполнено только в 2005 году, когда три европейских астронома – Павел Кроупа, Кристиан Тайс и Кристиан Буали – сравнили наблюдаемое распределение с модельными расчетами для темной материи15. Они пришли к выводу, что вероятность случайно получить такое дискообразное распределение карликовых галактик составляет всего 0,5 %.
Довольно скоро выяснилось, что плоское распределение спутников – не уникальная особенность именно нашей Галактики. В 2013 году группа под руководством Родриго Ибаты из Страсбургской обсерватории объявила об открытии очень похожей структуры у галактики Андромеды: примерно половина ее карликовых спутников расположены в пределах тонкого диска диаметром около 1,3 миллиона световых лет и толщиной всего 45 000 световых лет 16. К тому же группа Ибаты еще и показала в опубликованной ею статье в журнале Nature, что эти спутники обращаются вокруг своей хозяйской галактики в одном направлении, что свидетельствует об общем происхождении или общей динамической эволюции. Спустя пять лет швейцарский астроном Оливер Мюллер с коллегами обнаружил, что многие из карликовых спутников эллиптической галактики Центавр A, расположенной на расстоянии 12,5 миллиона световых лет, тоже обращаются вокруг своей массивной хозяйской системы в одном и том же направлении, двигаясь в пределах тонкого уплощенного слоя17.
Соавтор Мюллера Марцел Павловски из Потсдамского астрофизического института имени Лейбница (Германия) считает, что у проблемы плоскости спутников галактик нет простого решения18. По его словам, «можно, конечно, не замечать ее, но сейчас хотя бы многие ее начали осознавать». В 2018 году, когда он еще работал в Калифорнийском университете в Ирвайне, Павловски написал обстоятельную обзорную статью про эту проблему для журнала Modern Physics Letters A, в которой обсуждал разные возможные подходы и заключил, что «ни один из них пока что не дает удовлетворительного решения проблемы»19.
Ясно одно: если астрономы хотят разобраться в природе темной материи и ее роли в эволюции Вселенной, то им придется копнуть гораздо глубже, чем они это делали раньше. Фриц Цвикки занимался динамикой массивных скоплений галактик – самых больших гравитационно связанных структур во Вселенной. Вера Рубин и Альберт Босма стали первопроходцами в исследовании вращения ярких галактик вроде нашей собственной. На этих больших масштабах присутствие и влияние невидимой субстанции совершенно очевидны. Но любая жизнеспособная теория темной материи должна быть способна объяснить все наблюдаемые свойства и поведение невзрачных обитателей глубокого космоса – тусклых карликовых галактик, обращающихся вокруг своих великолепных хозяйских систем, а также ультрадиффузных «несостоявшихся» галактик, притаившихся в космическом мраке.
Устремленные в совершенно черное небо над Нью-Мексико чувствительные многофасетные «глаза» многообъективного телескопа Dragonfly Telephoto Array еще могут принести много сюрпризов. Ван Доккум с Абраамом занимаются расширением своей системы, добавив новые телескопы, в надежде довести число объективов до 168. Как объясняет ван Доккум, «нет никаких причин останавливаться на 48 объективах. В принципе можно создать систему, эквивалентную 10– или 20-метровому телескопу за гораздо меньшую стоимость».
Смогут ли когда-нибудь космологи достичь согласия своих излюбленных представлений о темной энергии и холодной темной материи с наблюдаемыми свойствами карликовых галактик? Этого никто не знает, но, быть может, будущие наблюдения позволят решить эту проблему. Правда, тревожно, что не одни лишь карликовые галактики бросают тень на популярную ΛCDM-модель. Космология столкнулась с гораздо более серьезным кризисом.
22. Космологическая несогласованность
В 1980 году, когда люди в Восточном и Западном Берлине жили в разных политических вселенных, чекпойнт «Чарли» представлял собой устрашающего вида тщательно охраняемый КПП между коммунистическим угнетением и либеральной демократией. Сейчас это одна из самых популярных туристических достопримечательностей в столице объединенной Германии. Но менее чем через 30 лет после падения Берлинской стены в 1989 году всего в 600 метрах от КПП «Чарли» в аудитории «Фридрихштрассе» на «коммунистической» стороне проявился новый непреодолимый барьер – на этот раз научного свойства. В дождливый день в ноябре 2018 года это лишенное каких-либо украшений здание в советском стиле стало интеллектуальным полем боя в космологической холодной войне.
Этот однодневный симпозиум собрал около 130 ученых, пожелавших обсудить вызывающий тревогу кризис нашего понимания Вселенной1. В перерывах между заседаниями я общался с самыми разными людьми со всего мира – астрофизиками и космологами, наблюдателями и теоретиками, молодыми постдоками и нобелевскими лауреатами. Некоторые из них проводили больше времени в самолетах, чем в лекционных аудиториях. Всех их беспокоило одно и то же – слишком быстрое расширение Вселенной, которое никто не может объяснить. Один из лауреатов Нобелевской премии по физике 2011 года Брайан Шмидт сказал мне после окончания симпозиума: «После сегодняшнего мероприятия я [чувствую себя] еще более озадаченным».
Астрономы и физики ломали голову вот над какой проблемой: детальный анализ данных наблюдений реликтового излучения в рамках популярной ΛCDM-модели дает очень точное значение современной скорости расширения Вселенной с погрешностью всего 1 %. Но при этом она оказывается на 9 с лишним процентов меньше почти столь же точной «локальной» оценки, основанной на данных наблюдений галактик в сравнительно близкой части Вселенной. И, по мнению коллеги Шмидта и одного из организаторов берлинского симпозиума Мэтью Коллесса, ни у одной из оценок нет очевидных слабых мест, хотя обе они не могут быть одновременно верными.
Хотя некоторые ученые все же допускают наличие пока еще не выявленных ошибок в одном из двух методов (или даже в обоих!), большинство считают полученные результаты надежными. Но при этом они не знают, как объяснить различие между двумя оценками. Эта проблема поставила в тупик даже таких креативных личностей, как теоретик Ави Леб из Гарвардского университета. Он заявил в своем выступлении: «Я пытался найти решение, чтобы представить его на этом симпозиуме, но ничего нового сообщить не могу. Эту проблему не получается просто решить». Согласно Шмидту, возможно, есть какая-то принципиальная ошибка в нашем понимании реликтового излучения. А кто знает, может быть, и в наших современных представлениях о темной материи.
История определения скорости расширения Вселенной – это сплошные кризисы и противоречия. Начать с того, что из самых первых оценок, полученных в 30-х годах XX века, получалось, что Вселенная должна быть моложе Земли. А каких-то 30 лет назад разные исследователи давали оценки, которые различались в два раза. Но космология стала очень точной наукой, и никогда раньше различие двух оценок постоянной Хаббла – меры современной скорости расширения Вселенной – не было столь статистически значимым.
В главе 15 говорилось, каким образом расширение пустого пространства «расталкивает» галактики друг от друга. В результате расстояния во Вселенной увеличиваются на 0,01 % каждые 1,4 миллиона лет, что соответствует значению постоянной Хаббла (или, как ее еще называют, параметра Хаббла, обычно обозначаемого H0) около 70 км/с на мегапарсек. Но на протяжении нескольких десятилетий астрономам никак не удавалось найти ее истинное значение. Для его определения требуется знание как скорости удаления галактики от нас, так и расстояния до нее. В принципе, скорость, с которой та или иная галактика удаляется от нас, – то есть скорость увеличения расстояния до галактики, – можно определить, измерив красное смещение. Но в случае близких галактик – то есть тех, для которых сравнительно нетрудно определить расстояние, – измеренная по красному смещению скорость включает также вклад скорости реального движения галактики в пространстве [25]. Эти пространственные скорости могут достигать нескольких сотен километров в секунду. А в случае далеких галактик, скорость реального движения в пространстве которых пренебрежимо мала по сравнению со скоростью космологического расширения, большую трудность представляет уже определение расстояния.
За прошедшие десятилетия астрономы нашли решение этой проблемы, построив тщательно продуманную «лестницу», или шкалу расстояний, чтобы определить, насколько далеки от нас другие галактики. Главное место в этом методе отведено особым звездам – так называемым цефеидам. Это один из типов пульсирующих переменных звезд – их температура со временем повышается и понижается, а диаметр и светимость увеличиваются и уменьшаются. Цефеиды – звезды с периодическими пульсациями, и чем выше светимость цефеиды, тем медленнее (то есть с большим периодом) она пульсирует. В первом десятилетии XX века сотрудница Гарвардской обсерватории Генриетта Суон Ливитт открыла зависимость «период – светимость», которую сейчас называют законом Ливитт. Так что если вы обнаружите в другой галактике цефеиду, то по периоду ее переменности сможете определить светимость звезды, а сравнив ее с видимым блеском – также рассчитать расстояние до га