Издательство «Бомбора» представляет книгу Нила Деграсса Тайсона и Грегори Мона «Астрофизика начинающим: как понять Вселенную» (перевод К. Л. Масленникова).
В этой книге американский астрофизик и известный популяризатор науки Нил Деграсс Тайсон объясняет тайны большой физики: как возникла Вселенная, что такое черные дыры и кротовые норы — и существуют ли они, почему скорость света нельзя превысить и как всё устроено в нашем мире. Кроме этого, вы прочтете множество забавных вещей: как астрофизики поздравляют друг друга с днем рождения, почему кварки похожи на назойливых одноклассников, что такое космическая «зона Златовласки» и почему она так называется. Книга «Астрофизика начинающим» адресована подросткам и всем, кто интересуется загадками Вселенной.
Предлагаем прочитать фрагмент главы, посвященной темной материи.
Это одна из главных загадок науки. Сегодня мы не ближе к ее разгадке, чем в 1937 году, когда «проблема скрытой массы» была впервые сформулирована. Тогда американский астрофизик швейцарского происхождения Фриц Цвикки исследовал движения галактик в огромной области пространства в созвездии Волосы Вероники, называемом «скоплением Кома» — «кома» по-латыни и значит «волосы». Это гигантское скопление галактик лежит очень далеко от Земли: луч света из скопления Кома тратит 300 миллионов лет, чтобы попасть в наши телескопы.
Издалека скопление Кома выглядит очень скученным: тысячи галактик обращаются по своим орбитам вокруг его центра, и наблюдателю кажется, что они роятся там, как пчелы вокруг улья.
Галактики удерживаются в этом скоплении силой тяготения — именно она не дает им разлететься в разные стороны. Цвикки измерил силу гравитационного поля внутри скопления, наблюдая движения нескольких десятков относящихся к нему галактик.
Что-то в этих измерениях было не так.
Сила тяготения оказалась слишком велика. Цвикки сложил массы всех галактик скопления, и все-таки, хотя Кома считается одним из самых больших и массивных галактических скоплений во Вселенной, этой суммарной массы не хватило, чтобы оправдать столь сильное тяготение. Чтобы все наблюдаемые галактики не разлетались, массы требовалось гораздо больше, чем ее получалось зафиксировать.
В скоплении должно было быть что-то еще.
Что-то, чего мы не видим.
После Цвикки астрофизики открыли много других галактических скоплений, в которых происходило то же самое. «Скрытая масса» так и остается самой старой неразгаданной тайной в астрофизике.
Правда, в наше время этому неизвестному фактору дали новое название — темная материя.
***
Когда я был мальчиком, я жил в одном из двух стоявших рядом многоквартирных домов. Мой близкий друг и одноклассник по начальной школе обитал во втором доме. Он научил меня играть в шахматы, покер и в настольные игры «Риск» и «Монополия». Но, что было еще важнее, он показал мне, как пользоваться биноклем, наводить его на Луну и звезды. Потом я сменил бинокль на телескоп и стал наблюдать звезды уже не с крыши дома, а из обсерваторий, расположенных в пустыне или посреди моря. Я полюбил великолепные космические картины, рассыпанные по ночному небу.
Но астрофизик должен думать не только о том, что мы видим. Он занимается и тем, чего мы не видим.
Фриц Цвикки нашел свидетельство присутствия невидимой материи в скоплениях или группах галактик. Спустя много лет, в 1976 году, Вера Рубин, астрофизик из Института естественных наук Карнеги в Вашингтоне, обнаружила скрытую массу и в самих галактиках. Она исследовала спиральные галактики — плоские, дискообразные скопления звезд с яркой сферической выпуклостью в центре и несколькими простирающимися во все стороны спиральными ветвями, полными звезд. Рубин проследила скорости движения этих звезд вокруг центров галактик.
Поначалу она увидела именно то, чего и ожидала. Звезды, более далекие от центра галактики, крепко удерживаемые силой тяготения, обращались вокруг него быстрее, чем те, что были ближе к нему.
Но Рубин наблюдала и области, значительно удаленные от галактического диска. Там гораздо меньше ярких звезд и одинокие облака газа. Так как между этими объектами и внешним краем диска совсем мало видимого вещества, ничего не могло крепко привязывать их к остальной массе вращающейся галактики. Их скорость должна была бы убывать с ростом расстояния от центра звездного города. Но по какой-то непонятной причине на деле их скорость оставалась высокой.
Рубин справедливо рассудила, что в удаленных областях галактик должна находиться какая-то форма скрытой, темной материи, простирающаяся далеко за пределы видимого внешнего края спирального диска, которая и притягивает периферийные объекты, заставляя их двигаться быстрее. Вслед за Верой Рубин мы теперь называем эти таинственные зоны темными гало.
Такое гало находится и буквально у нас под носом — в нашем родном Млечном Пути. Какую бы галактику, какое бы скопление галактик мы ни взяли, всюду различие между суммарной массой вещества, которую мы видим, и массой, должной там присутствовать, судя по величине силы притяжения, оказывается огромным. Космическая темная материя вызывает примерно вшестеро бóльшую гравитацию, чем все видимое вещество. Другими словами, темной материи вшестеро больше, чем обычной.
Девочкой Вера Рубин смотрела на звезды из окна своей спальни. Потом она смастерила из картонной трубки свой первый телескоп. Она рано нашла призвание. После окончания колледжа она захотела получить ученую степень по астрофизике в Принстонском университете, но ей ответили, что на эту программу женщин не принимают, что ее не остановило. Вера Рубин написала диссертацию в другом университете. Ее исследования спиральных галактик позволили ей доказать, что темная материя действительно существует. Многие считают, что за эту работу Рубин следовало дать Нобелевскую премию. В конце концов, главная научная награда должна присуждаться за открытия, а разве может что-нибудь сравниться с открытием темной материи — загадочной субстанции, которая скрепляет галактики?
***
Так что же такое темная материя?
Мы знаем, что она не может быть обычным веществом из протонов, нейтронов и прочих частиц. Черные дыры и другие космические диковины тоже не годятся. Может, это просто астероиды или кометы? Черные планеты, не связанные ни с какими звездами, странствующие в безднах космоса? У них у всех есть масса, а света они не излучают. Наши приемники их почувствовать не могут. В этом смысле они вполне подходят. Но тогда их должно быть слишком много, а значит, от идеи миллионов планет-бродяг тоже придется отказаться.
Мы знаем и то, что темная материя не может состоять из тех же частиц, что и планеты, люди или гамбургеры, потому что, по-видимому, она не подчиняется тем законам, которым следуют они. Силы, связывающие частицы нашего обычного мира, не действуют на темную материю. Единственный закон, которому темная материя, по-видимому, подчиняется, — это закон тяготения.
А может, нет вообще никакой темной материи, а мы просто не понимаем, что такое тяготение? Может, Ньютон ошибался. И Эйнштейн тоже. Может, это ты, читатель, проезжая мимо яблоневого сада в своей самоуправляющейся роботизированной машине, однажды наконец поймешь, как на деле работает гравитация. Но пока такого не случилось, нам придется иметь дело с теми фактами, которые у нас есть.
И главное, что мы понимаем, — это что темная материя не просто темное с виду вещество.
Это что-то совсем, совсем иное.
Спокойно. Вы не стукнетесь лбом о ком темной материи, пробираясь ночью в туалет по темному коридору. И не споткнетесь об нее на перемене в переполненном учениками холле по пути из одного школьного кабинета в другой, хоть вам, наверное, очень бы хотелось объяснить толпе менее подкованных в современной науке и хохочущих над вашей неловкостью друзей, по какой удивительной причине вы чуть не расквасили себе нос на ровном месте. Темная материя находится в галактиках и скоплениях галактик. Мы не видим никаких ее воздействий на меньшие по размеру объекты, такие как луны и планеты. Гравитацию на Земле можно полностью объяснить веществом у нас под ногами. Уж здесь-то, по крайней мере, Ньютон не ошибся.
Так из чего же состоит темная материя? Что мы о ней знаем? Обычное вещество собирается в атомы, молекулы и дальше в объекты самого разного размера, от крохотных крупинок песка до гигантских космических камней. О темной материи этого сказать нельзя. Если бы она тоже так делала, мы находили бы кусочки и глыбы темной материи повсюду во Вселенной.
Мы бы отыскали кометы из темной материи.
Планеты из темной материи.
Галактики из темной материи.
Однако, насколько мы можем судить, мир устроен не так. И мы знаем, что вещество Вселенной, к которому мы привыкли, из которого состоят звезды, планеты и живые существа, — это лишь тоненькая корочка глазури на огромном и темном космическом пироге.
Мы не знаем, что это такое. Но мы точно знаем, что темная материя нам нужна. И всегда была нужна.
В первые полмиллиона лет после Большого взрыва — а это был всего лишь миг по сравнению с четырнадцaтью миллиардами лет космической истории — вещество во Вселенной уже начало собираться в бесформенные сгустки. Потом эти сгустки станут скоплениями и сверхскоплениями галактик.
За следующие почти полмиллиона лет Вселенная удвоилась в размерах и продолжала расти. В течение этого периода роста два процесса соперничали друг с другом.
С одной стороны, гравитация стремилась стянуть весь мир вместе.
С другой — расширение Вселенной растягивало его в разные стороны.
Одна только гравитация обычного вещества не могла бы выиграть эту битву. Нужна была добавочная сила тяготения темной материи. Без нее мы оказались бы во Вселенной, лишенной каких-либо структур.
В ней не было бы скоплений галактик.
И самих галактик.
Не было бы звезд.
Не было бы планет.
Не было бы людей.
Без темной материи мы вообще не могли бы появиться.