Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Йостейн Рисер Кристиансен

Я очень хорошо помню карусель из своего детства. Не цирковая карусель с картинки, а небольшой кружок, на который мы становились и разгонялись, крепко держась за поручни. Чем быстрее мы крутились, тем сложнее становилось удержаться. Ты буквально чувствовал, как увеличение скорости приводит к усилению центробежной силы.

(Центробежная сила не является «реальной» физической силой; это просто «ощутимая из-за ускоренного движения сила», но ощутимая сила в нашей ситуации — это уже неплохо.)

Звезды Млечного Пути ощущают ту же центробежную силу, и чем быстрее они вращаются, тем сложнее им удержаться в Галактике и не вылететь наружу, как неуклюжему младшему брату с карусели на площадке. Но что же удерживает звезды? Ну конечно! Это наш старый добрый друг — гравитация.

А что, если звезды вращаются слишком быстро?

Для движения звезды по круговой орбите внутри Галактики необходим идеальный баланс между центробежными силами, которые тянут звезду наружу, и гравитационными силами, которые тянут ее внутрь. Если измерить скорость вращения звезд, то можно рассчитать гравитационные силы, необходимые для их удержания. И если мы знаем, насколько велики гравитационные силы, то уже в состоянии прикинуть, сколько материи потребуется для их создания. Получается, что скорость движения звезд — своеобразный показатель количества вещества в Галактике.

Дальше — больше. Гравитационные силы, которые удерживают звезду, определяются (если совсем уж упрощать) только количеством вещества внутри орбиты этой звезды. Это означает, что гравитационные силы, удерживающие Солнце в Млечном Пути, определяются всем веществом, которое находится ближе Солнца к центру Галактики. А звезды и все остальное, что находится дальше в Галактике, из какого бы вещества оно ни состояло, в этом случае никакой роли не играет.

Вера Рубин как раз и занималась измерением скорости движения звезд на разных расстояниях от центра спиральных галактик. Например, когда астроном измерила скорость звезд в 10 000 световых лет от центра, у нее появилась возможность высчитать количество материи внутри этого диапазона. Затем она получила возможность измерять скорости звезд все дальше и дальше от центра. Таким образом, она постепенно формировала картину того, сколько вещества находится на разных расстояниях от центра вращающихся галактик.

Что касается звезд во внутренних частях галактик, результаты соответствовали ожиданиям. Чем дальше звезды находятся от центра, тем сильнее увеличивается их скорость. И с количеством видимой светящейся материи все сошлось. По мере увеличения расстояния от центра, звезд становится больше, и, следовательно, возрастают гравитационные силы, которые позволяют звездам удерживаться на таких больших скоростях.

А вот результаты измерений на периферии оказались крайне неожиданными. По правде говоря, звезд там негусто. Настолько негусто, что количество материи внутри особо не увеличивается по мере отдаления от центра. Казалось бы, в таком случае влияющая на притяжение материя должна оставаться на примерно одном уровне по мере отдаления во внешние части галактики. В то же время чем дальше мы удаляемся от звезд в центре галактики, тем слабее их гравитационное воздействие. В результате логично ожидать ослабления гравитации при движении наружу во внешние части галактики. Таким образом, скорость вращения галактик тоже должна становиться все ниже и ниже по мере приближения к краям.

Подведем итоги. Если брать в расчет только видимую материю в галактике, то должно получиться так: ближе к центру мы сначала увидим, что звезды движутся все быстрее и быстрее, а на периферии мы ожидаем, что чем сильнее отдалимся, тем медленнее будут обращаться по орбитам звезды.

Но вот Рубин заметила, что все не так. По мере отдаления от центра галактического диска скорости совсем не падали, а оставались все такими же высокими даже у самых крайних видимых звезд. Эти звезды движутся настолько быстро, что должны бы давно улететь в открытый космос, так как гравитационным силам в галактиках не удалось бы их удержать. Но этого не происходит. То есть тут наверняка замешаны какие-то дополнительные гравитационные силы. А поскольку внешние звезды в галактиках вращаются так же быстро, как и находящиеся внутри, дополнительная материя, создающая дополнительные гравитационные силы, должна находиться дальше от центра галактики, чем видимые звезды. Мы полагаем, что это и есть темная материя.

Обратите внимание, что в наблюдениях Рубин есть один весьма важный момент, который отсутствовал у Цвикки. Вот к какому заключению пришел Цвикки: количество света в скоплении Кома не соответствует гравитационным силам, которые не позволяют галактикам разлететься. Такого же мнения придерживалась Рубин относительно вращающихся галактик: света недостаточно для создания гравитационных сил, позволяющих звездам оставаться на своих местах. Но наряду с этим Рубин заметила еще и необычное поведение невидимой материи: она протягивается дальше обычной, а значит, тут явно что-то новое и неизведанное. И объяснить все тем, что астроному просто не удалось сопоставить видимый свет и количество материи, не получится. Судя по всему, эта дополнительная материя, похоже, распределяется иначе, совсем не так, как видимые звезды.

Обратите внимание — я говорю «вращающиеся галактики», а не «Млечный Путь», хотя он, по сути, и есть ближайшая к нам Галактика. Все дело в том, что Рубин нашу собственную Галактику не рассматривала, но она изучала многие другие галактики подобного типа. Млечный Путь изучать сложно, причем именно потому, что мы сами находимся внутри него. Это все равно что описывать, как выглядит дом, довольствуясь лишь видом из кухонного окна. Довольно непросто. Гораздо легче будет описать дом напротив, ведь его нам прекрасно видно.

Длинные плоские кривые вращения

Часто, говоря об исследованиях Рубин, упоминают «плоские кривые вращения», поскольку, согласно исследованиям, скорость вращения остается примерно одинаковой при движении наружу в спиральных галактиках.

Современные измерения кривой вращения галактики М33 (Галактики Треугольника). Точки показывают измеренные скорости на различных расстояниях от центра галактики. Пунктирная линия показывает, какими были бы наши измерения, если бы на силы тяжести действовала исключительно видимая материя.

Назвать изучение кривых вращения делом легким язык не поворачивается. Еще труднее было раздобыть точные и адекватные данные, чтобы вывод об удивительно быстрых звездах на периферии в спиральных галактиках нельзя было списать на неточности. Поэтому, как это обычно и случается, открытие произошло не в тот момент, когда ученый воскликнул: «Эврика!» Вывод, напротив, постепенно сам просачивался наружу, словно запах гнили из-под пола в ванной. И, подобно запаху гнили, плоские кривые вращения тянули за собой неприятную правду: галактики сложнее, чем мы предполагали, а созданные нами модели не соответствуют реальности.

Еще в 1939 году другой астроном, Хорее Бэбкок (1912–2003), наблюдал за причудливыми плоскими кривыми вращения нашей соседней галактики Андромеды. Но он списал удивительные результаты на неточности в наблюдениях. И получается, что возможность сделать научный прорыв просто-напросто угодила в мусорное ведро лишь из-за того, что Бэбкок не осмелился серьезно отнестись к своим предположениям.