Однако Эйнштейн не был астрономом – а нужен был именно астроном, чтобы разобраться, что эффект, который он предсказал, можно не просто измерить, но еще и извлечь из него пользу. Для этого понадобилось оценить эффект гравитационной линзы, который оказывают на далекие объекты гораздо более крупные системы – галактики и даже скопления галактик, поскольку линзирование звезд звездами и правда слишком слабо. Не прошло и нескольких месяцев после выхода в свет заметки Эйнштейна, как блистательный астроном из Калифорнийского технологического института Фриц Цвикки опубликовал в журнале «Physical Review» статью, в которой показал, как применить на практике именно такие наблюдения (тем самым он косвенным образом упрекнул Эйнштейна за то, что тот думал только о звездах и не сообразил, какими мощными гравитационными линзами могут служить галактики).
Цвикки славился вспыльчивым характером, зато далеко опережал свое время. Он еще в 1933 году оценил относительное движение галактик в скоплении Волос Вероники и на основании законов Ньютона определил, что галактики движутся так быстро, что должны были бы разлететься в стороны, и тогда скопление распалось бы, а следовательно, массы в этом скоплении гораздо больше – в сто с лишним раз – чем накопилось бы за счет одних только звезд. Поэтому Цвикки по праву можно считать первооткрывателем темной материи, хотя в то время его авторитет был так велик, что большинство астрономов, скорее всего, считали, что должно найтись какое-то другое объяснение его результатам, не такое экзотическое.
Одностраничная статья Цвикки в 1937 году была столь же замечательной. Он предложил три различных применения для гравитационного линзирования: (1) проверка общей теории относительности, (2) использование промежуточных галактик в качестве своего рода телескопа, чтобы увеличить более отдаленные объекты, которые иначе были бы невидимыми для телескопов на Земле, и, самое главное, (3) решение тайны, почему скопления, по всей видимости, весят больше, чем может обеспечить видимая материя: «Наблюдения отклонения света вокруг туманностей может дать нам возможность наиболее прямо определять их массы и прояснить вышеупомянутое расхождение».
Работе Цвикки уже семьдесят четыре года, но между тем она читается как современный проект использования гравитационного линзирования для исследования Вселенной. Действительно, все предложенное им свершилось, и последнее его предложение самое примечательное из всех. Гравитационное линзирование далеких квазаров промежуточными галактиками было впервые обнаружено в 1987 году, а в 1998 году, через шестьдесят один год после того, как Цвикки предложил взвешивать туманности, используя гравитационное линзирование, с его помощью определили массу большого скопления.
В том же году физик Тони Тайсон с коллегами из ныне несуществующей Bell Laboratories (с такими титулованными представителями и такими Нобелевскими традициями великой науки, от изобретения транзистора до открытия космического микроволнового фонового излучения) наблюдали удаленное большое скопление, колоритно обозначенное CL 0024 + 1654, расположенное примерно в 5 млрд. световых лет от Земли. На этом красивом изображении с космического телескопа Хаббл можно видеть яркий пример сложного изображения далекой галактики, расположенной еще на 5 миллиардов световых лет позади скопления, как сильно искаженные и удлиненные изображения среди большей частью шарообразных галактик.
Взгляд на эту картинку дает пищу для воображения. Во-первых, каждое пятнышко на этом фото — это галактика, а не звезда. В каждой галактике содержится, возможно, 100 миллиардов звезд, а с ними, вероятно, сотни миллиардов планет, и, возможно, давно исчезнувших цивилизаций. Я говорю давно исчезнувших, потому что изображению 5 миллиардов лет. Свет был излучен на 500 миллионов лет раньше, чем сформировались наше Солнце и Земля. Многие из звезд на фото больше не существуют, исчерпав свое ядерное топливо миллиарды лет назад. Кроме того, искаженные изображения как раз показывают, что то, что утверждал Цвикки, было возможно. Большие искаженные изображения слева от центра — сильно увеличенные (и удлиненные) версии этой далекой галактики, которой в противном случае, вероятно, не было бы видно вообще.
Отмотать пленку назад от этой фотографии, чтобы определить соответствующее распределение масс в скоплении — сложная и запутанная математическая проблема. Чтобы это сделать, Тайсон должен был построить компьютерную модель скопления и проследить лучи от источника через скопление во всех возможных направлениях, используя законы общей теории относительности, чтобы определить закономерные пути, пока они не будут лучше всего соответствовать наблюдениям исследователей. Когда всё утряслось, Тайсон с сотрудниками получили графическое изображение, которое показало, где именно располагалась масса в этой системе, изображенной на исходной фотографии.
Есть кое-что странное в этом изображении. Пики на графике представляют расположение видимых галактик на исходной фотографии, но большая часть массы системы находится между галактиками, распределенная плавным и темным образом. Масса между галактиками в системе фактически более чем в 40 раз превышает массу, содержащуюся в видимой материи (она в 300 раз больше, чем масса, содержащаяся в звездах, вместе с остальной видимой материей в горячем газе вокруг них). Темная материя, очевидно, не ограничивается галактикой, но еще и преобладает в скоплениях галактик.
Физики, занимающиеся элементарными частицами, как я, не были удивлены, обнаружив, что темная материя также доминирует в скоплениях. Несмотря на то, у нас не было ни малейших прямых доказательств, все мы надеялись, что количества темной материи было достаточно, чтобы привести к плоской Вселенной, а это означало, что во Вселенной должно было быть более чем в 100 раз больше темной материи, чем видимой.
Причина была проста: плоская вселенная является единственной математически красивой вселенной. Почему? Сейчас поясню.
Достаточно или нет темной материи для создания плоской вселенной, наблюдения, вроде тех, что получены гравитационным линзированием (напомню, что гравитационное линзирование получается в результате локального искривления пространства вокруг массивных объектов; форма Вселенной определяется глобальной средней кривизной пространства, без учета локальной ряби вокруг массивных объектов) и более поздние наблюдения в других областях астрономии подтвердили, что общее количество темной материи в галактиках и скоплениях намного превышает то, которое учитывается при расчетах нуклеосинтеза Большого Взрыва. Мы сейчас практически уверены, что темная материя — существование которой, я повторяю, было независимо подтверждено в целом ряде различных астрофизических вещей, от галактик до скоплений галактик — должна быть сделана из чего-то совершенно нового, чего-то, чего при нормальных условиях на Земле не существует. Это такой материал, который не является звездным либо земным материалом. Но это кое-что!
Эти ранние заключения о темной материи в нашей Галактике породили целую новую область экспериментальной физики, и я рад сказать, что я сыграл определенную роль в ее развитии. Как я уже упоминал выше, частицы темной материи существуют вокруг нас — в комнате, где я печатаю, так же как и «там», в космосе. Следовательно, мы можем проводить эксперименты по поиску темной материи и нового типа элементарной частицы или частиц, из которых она состоит.
Эксперименты ведутся в шахтах и тоннелях глубоко под землей. Почему под землей? Потому что на поверхности Земли нас регулярно бомбардируют всякие космические лучи, от Солнца и гораздо более дальних объектов. Поскольку темная материя, по самой своей природе, не проявляет электромагнитного взаимодействия, чтобы создавать свет, мы предполагаем, что она взаимодействует с нормальной материей чрезвычайно слабо, так что ее будет чрезвычайно трудно обнаружить. Даже если нас каждый день бомбардируют миллионы частиц темной материи, большинство из них проходит через нас и Землю, даже не «зная», что мы здесь, и не замечая нас. Таким образом, если вы хотите обнаружить проявления очень редких исключений из этого правила, частицы темной материи, которые все-таки отскакивают от атомов вещества, то вам лучше приготовиться регистрировать очень редкие и нечасто случающиеся события. Только под землей вы достаточно защищены от космических лучей, чтобы это было возможно даже в принципе.
Однако пока я это пишу, появляется не менее захватывающая возможность. Как раз сейчас запускают Большой адронный коллайдер поблизости Женевы, Швейцария, крупнейший и самый мощный в мире ускоритель элементарных частиц. Но у нас есть много оснований считать, что при очень высоких энергиях столкновений протонов в этом устройстве будут воссозданы условия, аналогичные тем, что были в очень ранней Вселенной, хотя лишь в микроскопически малых областях. В таких областях те же взаимодействия, которые в очень ранней Вселенной, возможно, впервые создали то, что в настоящее время является частицами темной материи, сейчас могут создавать подобные частицы в лаборатории! Таким образом, сейчас проходит большая гонка. Кто первым обнаружит частицы темной материи: экспериментаторы глубоко под землей или экспериментаторы на Большом адронном коллайдере? Хорошей новостью является то, что, если одна группа выиграет гонку, никто не проиграет. Мы все выиграем, изучая то, что в действительности представляет собой элементарное вещество материи.
Несмотря на то, что описанные мной астрофизические исследования не раскрыли природу темной материи, они говорят нам, как долго она существует. Окончательный, прямой расчет общего количества материи во Вселенной был выполнен на основе гравитационных измерений линзирования, вроде тех, что я описал, в сочетании с другими наблюдениями рентгеновского излучения из скоплений. Независимые подсчеты общей массы скоплений возможны потому, что температура газа в скоплениях, производящих рентгеновские лучи, связана с общей массой системы, из которой они излучаются. Результаты оказались неожиданными, и, как я уже упоминал, разочаровывающими для многих из нас, ученых. Поскольку, когда все прояснилось, в прямом и переносном смысле, общая масса галактик и скоплений, и вещества вокруг них, была оценена примерно в 30 процентов от общего количества массы, необходимой, чтобы привести к образованию плоской Вселенной сегодня. (Заметьте, что это более чем в 40 раз больше массы, которая могла бы считаться видимой материей, что, следовательно, составляет менее 1 процента от массы, необходимой для образования плоской вселенной.)