Скопление галактик Волосы Вероники, где Фриц Цвикки нашел свидетельства существования темной материи
На основе анализа данных, полученных другими астрономами на 100-дюймовом телескопе обсерватории Маунт-Вилсон, Цвикки оценил количество галактик в скоплении в созвездии Волосы Вероники. Исходя из предположения, что масса каждой галактики составляет миллиард солнечных масс, он вычислил, что суммарная масса видимого вещества в скоплении Волосы Вероники должна составлять около 1,6 × 1045 граммов. В этом случае, учитывая размер скопления, разброс скоростей должен был составлять около 80 км/с.
Но разброс скоростей восьми достаточно ярких галактик скопления, чтобы можно было определить их красные смещения, оказался гораздо больше – около 2500 км/с. Это намного больше оценки «скорости убегания» из скопления. Другими словами, сила притяжения 1,6 × 1045 граммов вещества скопления недостаточна для удержания объектов, несущихся с такими скоростями. Чтобы галактики не разлетелись, суммарная масса скопления должна быть больше. Намного больше.
Цвикки написал по этому поводу: «Чтобы обеспечить [наблюдаемый разброс скоростей], средняя плотность в системе Волосы Вероники должна быть как минимум в 400 раз выше оценки, полученной на основе наблюдения видимого вещества». «Если это подтвердится, то отсюда следует неожиданный вывод – плотность темной материи [в оригинальном немецком тексте – dunkle Materie] намного превышает плотность видимой материи». Цвикки опубликовал свое элегантное и пугающее исследование в швейцарском журнале Helvetica Physica Acta10. Название статьи можно перевести как «Красные смещения внегалактических туманностей» без намека на содержащееся в нем неожиданное открытие.
Поистине неожиданное, если не сказать неправдоподобное. Якобус Каптейн полагал, что во Вселенной может быть некоторое количество невидимой материи. Ну, допустим. Ян Оорт установил, что количество темной материи в плоскости нашей Галактики примерно в два раза превышает количество видимого вещества. Несколько неожиданно, но все же не полный бред. И вот теперь Фриц Цвикки утверждает, что сияющие звезды и туманности – это в лучшем случае какие-то жалкие 0,25 % всего содержащегося во Вселенной вещества. Неудивительно, что мало кто из астрономов обратил внимание на этот результат – уж слишком он казался неправдоподобным. К тому же в то время само представление о скоростях удаления и расширении Вселенной было очень непривычным. Ведь у этой, по словам Цвикки, «пока еще не решенной проблемы» (noch nicht geklartes Problem) должно было найтись более удовлетворительное решение.
Спустя почти 90 лет проблема темной материи все так же остается нерешенной. Со временем она даже еще больше усложнилась. Так, Каптейн, Оорт и Цвикки полагали, что темная материя может состоять из очень тусклых карликовых звезд или несветящихся облаков холодного газа, но теперь мы в курсе, что она никак не может быть образована из привычных элементарных частиц – это материя, Джим, но не такая, какой мы ее знаем. И хотя первые количественные результаты, касающиеся темной материи, были опубликованы в небольших журналах и не вызвали всеобщего удивления, теперь эта тема не сходит со страниц научных изданий, ею занимаются сотни астрофизиков, космологов и специалистов по физике элементарных частиц.
Конечно, Каптейн так и не узнал обо всем этом. Он умер в 1922 году – теперь это считается предысторией космологии. Его идеи об устройстве Вселенной были революционными, но, как мы теперь знаем, в основном они оказались совершенно неправильными.
У Цвикки тоже были ошибки, хотя астрономы и не сразу это поняли. Измерения красных смещений 30 галактик в скоплении галактик в Деве, выполненные в 1936 году астрономом обсерватории Маунт-Вилсон Синклером Смитом, подтвердили опубликованный Цвикки в 1933-м первоначальный вывод о невероятном количестве темной материи в скоплениях галактик. Выполненное Цвикки в 1937 году более подробное исследование скопления Волосы Вероники также подтвердило предыдущие результаты11. Цвикки изложил эти и другие данные в своей монографии «Морфологическая астрономия», вышедшей в 1957 году12. Но теперь мы знаем, что Цвикки недооценил количество галактик в скоплении, а также среднюю звездную массу этих галактик. Кроме того, его оценка расстояния до скопления галактик Волосы Вероники оказалась завышенной, и это заставило усомниться в надежности полученных Цвикки результатов.
Но даже после учета сделанных Цвикки ошибок оценки «видимой» и «динамической» масс скоплений галактик вроде скопления Волосы Вероники различались примерно в сто раз. Даже после обнаружения в начале 70-х годов XX века в скоплениях галактик огромного количества излучающего в рентгеновском диапазоне горячего межгалактического газа оценки динамической и видимой массы все еще различаются примерно в 10 раз. Так что, когда Цвикки в 1974 году скоропостижно скончался от сердечного приступа, его 42-летняя nicht geklartes Problem осталась нерешенной.
А что с третьим первопроходцем? После Второй мировой войны Оорт стал директором Лейденской обсерватории и продолжил свои исследования в самых разных областях. В конце 50-х годов XX века он вернулся к проблеме темной материи в плоскости нашей Галактики. Анализ более качественных данных привел практически к тем же выводам, которые были получены им в 1932 году. Он опубликовал статью с изложением новых результатов в 1960 году в журнале Bulletin of the Astronomical Institutes of the Netherlands13.
Но результаты Оорта не выдержали проверку временем. В конце 1980-х годов бельгийский астроном Коэн Кёйкен и его научный руководитель Джерри Гилмор из Кембриджского университета обратили внимание на систематические ошибки в работе Оорта. Дело в том, что Оорт был вынужден опираться на данные наблюдений звезд-гигантов определенного типа – только они были достаточно яркими для измерения скоростей имевшимися в то время средствами14. К сожалению, оценка истинных светимостей и, следовательно, расстояний этих так называемых К-гигантов оказалась очень трудной задачей. К тому же, как мы теперь знаем, они на самом деле не могут считаться характерными представителями населения тонкого галактического диска. Оба эти обстоятельства повлияли на полученные Оортом выводы.
Кёйкен и Гилмор выполнили более тщательный анализ на основе своих наблюдений около 800 более «обычных» звезд с помощью нового и очень эффективного многообъектного спектрографа 3,9-метрового Англо-австралийского телескопа в Кунабарабране в австралийском штате Новый Южный Уэльс. Кёйкен и Гилмор опубликовали полученные результаты в трех статьях в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society и пришли выводу, что «имеющиеся данные… не свидетельствуют о наличии в галактическом диске неучтенной массы»15.
К этому времени астрономы установили, что наша Галактика окружена более или менее сферическим протяженным гало из темной материи (мы вернемся к этому вопросу в следующей главе). Но, по-видимому, в плоскости нашей Галактики нет сколько-нибудь значительного количества темной материи. Оорт ошибался.
Где-то в 1988 году Кёйкен организовал в одной из аудиторий Лейденской обсерватории коллоквиум, посвященный их с Гилмором исследованиям. Среди слушателей был ослабевший и оглохший Ян Оорт, чей слуховой аппарат был чуть ли не непосредственно подключен к микрофону Кёйкена. Новые результаты очень заинтересовали его, и Оорт послал письмо, где выразил свое восхищение достижениями молодого астронома, который в 2002 году перебрался в Лейден и с 2007-го по 2012-й занимал должность научного директора обсерватории. Даже на закате жизни Оорт продолжал живо интересоваться достижениям Кёйкена, его современников и последователей. Когда я брал интервью у Оорта в 1987 году, он размышлял о том, что «для обнаруживаемых на больших масштабах во Вселенной огромных количеств темной материи, возможно, потребуется некое совершенно новое объяснение… Но пока что я не имею понятия, где же искать [решение] этой проблемы»16.
И никто другой тоже не имел понятия. Оорт умер в ноябре 1992 года – ровесник века, который он прожил, оставив столь значительный след. За два года до этого был запущен космический телескоп «Хаббл», но в то время он еще давал нечеткие изображения из-за небольшого дефекта формы главного зеркала; астрономы только что получили первые подробные спутниковые измерения распределения фонового реликтового излучения, а специалисты по физике элементарных частиц начали экспериментировать с ксеноновыми детекторами. Это было преддверие золотого века исследований темной материи.
И все жe, несмотря на огромные достижения последних 25 лет, ученые в наши дни все так же продолжают идти на ощупь, как почти за 100 лет до них Каптейн, когда он ввел в англоязычную научную литературу сам термин «темная материя».
Когда же мы наконец получим ответ на самую большую загадку Вселенной?
4. Эффект гало
“
Мой муж говорит, что темная материя – это реальность, не просто выдумка подрастающих компьютеров, он может доказать, что она существует, что она повсюду создает незримое гало вокруг любого объекта и силой гравитации как-то не дает всему развалиться[7]
”
Эти шесть первых строк стихотворения «Темная материя и темная энергия», написанного в 2015 году признанным поэтом Алисией Острайкер, замечательно и кратко характеризуют суть ранних работ ее мужа, астрофизика-теоретика Джереми Острайкера. Оба они пытались охватить мыслью загадку: Алисия – тщательно выводя строки на белом листе, а Джерри – лихорадочно записывая на доске уравнения. Пока что ни один из этих подходов не привел к успеху. Как написано в девятой строке стихотворения, «Мы не знаем, что это, но знаем, что оно реально»1.