Pro темную материю

Виктор де Касто, 2016

Почему 22 % материи во Вселенной называют темной? Потому что ее не видно в традиционном смысле и даже в оптическом диапазоне длин волн, как видно обычную, светящуюся материю. Темная материя не принимает участия в электромагнитном взаимодействии. При этом она однозначно существует. Еще большую долю, 74 %, в составе Вселенной занимает темная энергия, предположение о существовании которой было высказано после наблюдений за сверхновыми и расширяющейся Вселенной. Свойства этой субстанции оказались очень странными… По мнению ряда ученых, без темной материи и темной энергии невозможно возникновение и существование самих галактик, звезд в галактиках, звездных систем, планет и жизни. Автор увлекательно рассказывает об истории изучения Вселенной, о великих астрономах, астрофизиках и космологах, их попытках узнать или, скорее, рассчитать судьбу Вселенной.

Пополнение каталога Вселенной

От наблюдений Галилея, первого человека, использовавшего телескоп, нас отделяют четыре века. За это время «каталог» содержимого Вселенной постоянно пополнялся, обычно это происходило после каждого усовершенствования телескопа. Астрономы регулярно обнаруживали новые луны вокруг планет, новые планеты, новые звезды. К началу ХХ века астрономы определили, что все звезды, которые видны по ночам, будь то невооруженным глазом или с помощью самых современных телескопов, являются частью одного огромного скопления звезд, насчитывающего десятки миллионов, если не миллиардов звезд. Это скопление получило название Млечный Путь из-за своего внешнего вида. Огромное количество визуально неразличимых звезд выглядит как неярко светящаяся полоса, пересекающая небо. Существуют ли другие скопления звезд, с десятком миллионов единиц в каждом, за границами Млечного Пути? Астрономы предположили, что да, и назвали этот класс небесных объектов «островными вселенными».

Схема Вселенной Томаса Райта, 1750. Слева — схема строения Солнечной системы, справа — множественность звездных систем.

Вообще, появление концепции островных вселенных связывается в истории науки с именем английского астронома-самоучки Томаса Райта (1711–1786). Эта концепция с середины XVIII века и до первых десятилетий XX века была предметом острых дискуссий. Райт знал об открытии Галлеем собственных движений у трех ярких звезд и сделал первый правильный вывод о том, что звезды должны обращаться вокруг общего центра тяготения (по аналогии с планетами). Но центр звездной Вселенной Райт представлял как «божественный», то есть пытался объединить естественное со сверхъестественным. Он изобразил Вселенную как систему сферических областей вокруг ее не только физического центра тяготения, но одновременно и «священного престола», или даже «ока» бога. Рядом с ним располагается область «рая», далее материальная область смертных («бездна времени, или область смертных») и, наконец, царство «тьмы и отчаяния», то есть ад. Таким образом, материальную Вселенную Райт считал конечной. Близкие звезды видны по отдельности, а далекие, разбросанные беспорядочно по всему пространству, сливаются в беловатое сияние. Звезды беспорядочно раскиданы по всему небу, но заключены в некоем сферическом слое, окружающем некий центр.

В дальнейшем Райт предложил второй вариант решения космологической проблемы. В этом варианте звезды располагались вокруг «божественного центра» кольцом и как бы повторяли в больших масштабах систему Сатурна. Райт предполагал существование и других «божественных центров» со своими системами звезд вокруг них. Таким образом, он первым выдвинул идею островных вселенных в рамках гравитационной картины мира.

В наше время считается, что островные вселенные, или звездные острова, возникают постоянно со своими мириадами звезд. И островные вселенные — это места, где есть и темная материя, и темная энергия.

Большая комета над Прагой, ноябрь 1577

В 1774 году Шарль Мессье (1730–1817), французский астроном, член Парижской Академии наук, опубликовал первое издание каталога туманностей и звездных скоплений. Этот каталог содержал 45 объектов. Второе издание (1780) включало 68 объектов. В 1781 году вышло третье издание с 103 объектами. В современной версии каталога содержится 110 объектов, и 60 из них были открыты самим Мессье. Ученый считал, что туманности могут отвлечь астрономов, пытающихся увидеть кометы. Его самого называли «охотником за кометами» или «ловцом комет». Он единолично открыл 15 комет, 5 — одновременно с другими наблюдателями, а в целом наблюдал 44 кометы.

Вначале все объекты в каталоге назывались туманностями, потом астрономы определили, что часть из них — это скопления звезд. Другие оставались тайной, даже с усовершенствованием телескопов. Высказывались версии о том, что это облака газа, находящиеся в процессе превращения в звезды в нашей галактике. Другая версия — это скопления звезд, отдельные от присутствующих в нашей галактике, но не уступающие им по масштабности. Астрономическое сообщество раскололось на две части, пытаясь выбрать правильный ответ.

В 1923 году Эдвин Хаббл, о котором речь еще впереди, нашел ответ на вопрос с помощью эмпирических доказательств.

Эдвин Хаббл, выдающийся американский астроном (1889–1953)

До Хаббла большинство ученых считали Вселенную состоящей только из одной галактики Млечный Путь. Кроме туманности Андромеды, он наблюдал еще несколько спиральных галактик. Эти наблюдения, сделанные в 1922–1923 годах, убедительно подтвердили, что туманности находятся слишком далеко, чтобы являться частью Млечного Пути, и в действительности представляют собой отдельные галактики за пределами нашей собственной. Он использовал крупнейший телескоп в мире (на тот момент), диаметр которого составлял 2,5 метра. Телескоп находился в обсерватории Маунт-Вильсон в городе Пасадена, Калифорния. Хаббл сделал фотографию туманности Андромеды, которая в каталоге Мессье значилась под номером М31. Хабблу показалось, что он обнаружил новую звезду, поэтому на следующую ночь сделал еще одну фотографию. Затем сравнил эти снимки и другие фотографии туманности, сделанные в различные даты, и пришел к выводу, что никакой новой звезды он не открыл, а наблюдал вид меняющейся. Она пульсировала, становилась то более яркой, то более темной, причем эти изменения происходили с постоянными интервалами. То есть Хаббл идентифицировал класс пульсирующих переменных звезд (цефеид). Цефеиды — желтые яркие гиганты, в 103–105 раз ярче Солнца, блеск которых меняется с периодом 1–200 суток. Причиной переменности является пульсация внешних слоев, что приводит к изменению радиуса и температуры их фотосфер. В цикле пульсации звезда становится больше и холоднее или меньше и горячее. Одна из самых известных цефеид — Полярная звезда.

Генриетта Суон Ливитт, американский астроном, известная работами по изучению переменных звезд (1868–1921)

Открытия Хаббла фундаментальным образом изменили научное видение Вселенной, хотя очень многие поначалу спорили.

В 1908 году Генриетта Суон Ливитт, американский астроном, работавшая в Гарвардской обсерватории, определила соотношение между периодом пульсации цефеид и абсолютной яркостью переменной звезды: чем дольше период, тем ярче переменная звезда. Фактически Ливитт занималась упорядочиванием каталога фотопластинок с изображениями звезд, определяя их блеск. Ливитт открыла более 2400 переменных звезд, причем большая их часть находится в Магеллановых Облаках. Она в частности использовала снимки, сделанные в одной из обсерваторий Перу, а не только Гарвардской обсерватории, где работала до конца жизни. Открытие ею упомянутой выше зависимости, которую иногда также называют зависимостью между периодом изменения блеска и светимостью звезды, помогло астрономам в измерении расстояний как в нашей галактике, так и за ее пределами.

Астрономы смогли измерять светимость и сравнивать ее с другим количественным взаимоотношением — между яркостью и расстоянием. Источник света, находящийся в два раза дальше, чем другой источник света с такой же светимостью (это звездная величина), имеет одну четверть яркости второго. Источник света, находящийся в три раза дальше, имеет одну девятую яркости. Источник света, расположенный в четыре раза дальше, имеет одну шестнадцатую яркости, и так далее. Если вы знаете, как часто пульсирует переменная звезда (то есть меняется ее блеск), то вы знаете и насколько яркой она является относительно других переменных звезд. Если вы знаете, насколько она яркая относительно других переменных звезд, то вы знаете, насколько она удалена от них.

Весто Мелвин Слайфер, американский астроном, специалист по астроспектроскопии (1875–1969)

Когда Хаббл сравнил период пульсации (изменения блеска) цефеиды, обозначенной у Мессье М31, с периодами пульсации других переменных звезд, то пришел к выводу, что эта переменная звезда находится на достаточном удалении, то есть за пределами островной вселенной — или, как мы сказали бы теперь, «нашей островной вселенной».

Хаббл снова вернулся к изучению фотопластинки, которую сделал в ту памятную ночь, и в результате объявил, что М31 — это отдельная островная вселенная. С этого времени ученые стали говорить о галактиках.

Можно считать, что работающая как часы Вселенная Ньютона стала распадаться на части в 1929 году. Хаббл продолжал исследование островных вселенных, в особенности необъяснимых измерений, которое астрономы делали уже более десяти лет.

В 1912 году американский астроном Весто Мелвин Слайфер начал исследовать туманности с помощью спектроскопии. Большую часть жизни он проработал в частной астрономической обсерватории Лоуэлла, расположенной во Флагстаффе, Аризона. Это одна из старейших обсерваторий США, основанная в 1894 году.

Слайфер считается одним из самых известных — или даже самым известным мастером астроспектроскопии. Он оставил после себя труды по спектроскопии планет, звезд и туманностей. Слайфер изучил спектры излучения ночного неба, полярных сияний, большого числа звезд и комет. Используя методы спектроскопии, Слайфер определил скорости и периоды осевого вращения таких планет, как Венера, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран. Он первым получил фотографии спектров больших планет с достаточно высокой дисперсией, подтверждение присутствия межзвездных линий кальция в спектрах большого числа звезд, открыл межзвездный натрий. Он обнаружил, что некоторые диффузные туманности имеют спектр, схожий со спектром звезд, первым измерил высокие лучевые скорости шаровых скоплений и спиральных туманностей. В 1913 году Слайфер получил для туманности Андромеды (М31) значение лучевой скорости, равное 300 км/с. Он одним из первых пришел к заключению, что спиральные туманности являются очень далекими звездными системами. Открытие им огромных пространственных скоростей галактик явилось наблюдательной основой теории расширяющейся Вселенной, которую предложил Хаббл. Слайфер также впервые получил доказательства вращения галактик и измерил его скорость для туманности Андромеды.

Спектрограф, которым пользовался ученый, измерял длину волн, идущих от источника света. Световые волны во многом напоминают звуковые волны паровозного свистка, который вы слышите, когда поезд приближается к станции или отходит от нее. Световые волны точно так же сжимаются и растягиваются в зависимости от того, приближается к вам свет или удаляется от вас. Скорость световых волн не меняется, она остается одной и той же — 186 282 мили в секунду (или 299 792 км в секунду). Меняется длина волн. А поскольку длина световых волн определяет цвета, воспринимаемые нашими глазами, кажется, что цвет источника света тоже меняется. Если источник света приближается, то волны сжимаются, а спектрометр показывает смещение к фиолетовому (холодному) концу спектра. Если источник удаляется, то волны расслабляются, и спектрометр зафиксирует смещение в красную сторону спектра. То есть красное смещение возникает, когда расстояние между источником излучения и его приемником (наблюдателем) увеличивается.

А поскольку скорость источника света по мере движения к нам или от нас увеличивается, увеличивается и смещение в одну или другую сторону спектра. Слайфер обнаружил красное смещение в спектрах галактик в 1912–14 годах, потом и другие астрономы показали, что в ряде туманностей наблюдается значительное красное смещение, а это показывает, что галактики удаляются от нас на больших скоростях. Наибольшее красное смещение наблюдается в спектрах далеких внегалактических объектов и в настоящее время рассматривается как следствие космологического расширения Вселенной.

Но вернемся к Хабблу. Теперь он уже знал, что туманности — это галактики, и задумался о том, что может означать их движение. Он сравнил скорости восемнадцати туманностей с расстояниями и оказалось, что эти два показателя прямо пропорциональны друг другу: чем дальше галактика, тем скорее она удаляется. Другими словами, Вселенная, похоже, расширяется. Зависимость между красным смещением галактик и расстоянием до них поучила название закона Хаббла.

Внезапно оказалось, что Вселенная не является неподвижной и постоянной. Она меняется! Картинки сменяют друг друга, и никто не знает, что будет в следующую «минуту».

В прошлое вернуться нельзя — можно наблюдать только явления, происходящие в настоящем, пытаться найти математические методы, которые объяснят его и, возможно, помогут предсказать будущее.