Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Йостейн Рисер Кристиансен

Конечно, создать луч, который будет отражаться от отдаленных звезд и галактик, не представляется возможным. Астрономам могут помочь спектральные линии уже известных веществ.

Как мы упоминали ранее, рассказывая о философе Конте и пионере спектроскопии Фраунгофере, все газы имеют уникальные «отпечатки пальцев», а именно особые длины волн, или цвета. Наблюдая за светом звезд или галактик отсюда, с Земли, мы часто замечаем смещение всех спектральных линий. Если они смещены в сторону более коротких волн, то мы называем такое смещение синим. Свет с синим смещением означает, что источник излучения движется к нам. Если же спектральные линии смещены в сторону более длинных волн, мы получаем красное смещение. Значит, объект, излучающий свет, удаляется от нас. Чем больше красное или синее смещение, тем выше скорость движения объекта.

Спектроскопия и измерение синего или красного смещения — весьма надежный и точный способ измерения скоростей, и именно этим методом пользовались как Цвикки, так и Рубин при измерении скорости движения галактик и звезд. Чтобы измерить расстояние до отдаленных слабых источников света, необходим хороший спектрограф. Использование очень точного спектрографа, разработанного Кентом Фордом, сыграло решающую роль при выполнении точных измерений, благодаря которым Вера Рубин пришла к выводу, что галактики вращаются не так, как им следовало бы. Пример Рубин и Форда — один из тех невероятных случаев, когда сочетание смелых мыслей, навыков и новых точных технологий привело астрономию к великим открытиям.

В самом начале книги я утверждал, что во Вселенной темной материи примерно в пять раз больше, чем обычной. Возникает вполне естественный вопрос: почему в нашей жизни здесь, на Земле, мы не замечаем ничего, связанного с темной материей? Да, темная материя невидима, но ее гравитационное воздействие мы бы ощутили, хотя в повседневной жизни и не обращаем особого внимания на гравитацию. Когда мы подпрыгиваем вверх и снова опускаемся на землю, то происходит это исключительно под воздействием видимого вещества Земли. Иными словами, вряд ли на Земле есть темная материя. А как быть с Солнечной системой? Может, в ней имеются целые планеты-гиганты из темной материи? Не-а. Планеты притягиваются друг к другу под воздействием гравитации, и в этом легко убедиться, изучив их движение. Здесь нет даже намека на огромные невидимые планеты. Но Вера Рубин нашла большое количество темной материи во вращающихся галактиках, и, хоть Млечный Путь она не изучала, другие ученые его не игнорировали. Все указывает на то, что у Млечного Пути такие же странные плоские кривые вращения, как у других спиральных галактик, а неестественно большие скорости звезд на периферии свидетельствуют о том, что и в нашей Галактике должно быть много темной материи. Так где же она скрывается?

Темная материя, которая не хотела быть глазуньей

Главное преимущество открытия Рубин заключается в доказательстве того, что недостающая материя в спиральных галактиках распределена совсем не как обычная видимая. Обычное вещество мы представили в форме двойной глазуньи. Чтобы можно было объяснить высокие скорости звезд на периферии и плоские кривые вращения, невидимая материя должна распространяться намного дальше, чем видимая. Мы сунули эти наблюдения в кастрюлю вместе с теорией и методами компьютерного моделирования, вскипятили и перемешали все вместе, получилась современная стандартная модель спиральных галактик. В этой модели двойная глазунья видимого вещества расположена в центре огромной сферической области темной материи, называемой гало. Этот ореол темной материи находится в области, в несколько раз превышающей диаметр видимой глазуньи.

Продолжая наши кулинарные аналогии, мы можем, таким образом, представить двойную глазунью, плавающую посреди гораздо более широкой, но неглубокой тарелки супа из темной материи. В середине супа из темной материи плотность наивысшая, а потом, если двигаться к краям, она постепенно снижается. Мы также считаем, что суп из темной материи одинаковой консистенции и в нем нет даже малюсеньких комочков. Следовательно, ни о каких звездах из темной материи и речи не идет.

Модель супа с глазуньей хороша тем, что способна объяснить плоские кривые вращения. Модель так хорошо прижилась именно благодаря логичности на теоретическом уровне. Хотя это, возможно, и неочевидно. Разве могут как видимая, так и темная материи взаимодействовать гравитационными силами, так что при этом одна группируется в звезды и планеты, а другая — нет? Давайте-ка вспомним, как появляются галактики и звезды.

Рождение галактики

Уже готовые галактики не возникли сами собой вместе со Вселенной: галактики формировались по мере ее роста и взросления. Так как же рождались галактики?

Понадобится облако газа. Громадное газовое облако. Но этот газ не просто вещество, а смесь обычной и темной материй. Не исключено, что там уже даже несколько звезд образовалось. Но это, скорее, не плотное облако, а огромная область во Вселенной, в которой газ немного плотнее, чем в прилегающих областях. У этого газового облака есть масса. Следовательно, и гравитация там присутствует, а значит, гравитационные силы рано или поздно начнут сжимать облако. Сначала медленно, а потом все быстрее и быстрее. А что происходит после?

Начнем с обычной материи. По мере того, как облако становится меньше и плотнее, частицы обычного вещества начинают сталкиваться. В конечном счете столкновения заставят сжатие притормозиться, прямо как яблоко Ньютона, которое сначала замедлилось, а потом и вовсе остановилось, коснувшись земли. Если в самом начале наше облако хоть чуточку вращалось, то теперь это вращение будет усиливаться по мере увеличения сжатия, совсем как фигурист, прижавший руки к телу, чтобы кружиться еще быстрее. Вращение заставляет обычное вещество сжаться в форму диска — белок нашей двойной глазуньи.

А как в газовом облаке поведет себя темная материя? Точно так же, как то ньютоновское яблоко из темной материи, коснувшись земли. Темная материя не сталкивается и не замедляется. Если яблоко из темной материи пролетело сквозь Землю и вернулось обратно, то и темная материя будет двигаться по галактике, но частью нашей сжатой яичницы не станет. Поэтому видимая двойная глазунья и остается в середине жидкого супа из темной материи.

То, как рождаются звезды и планеты, очень похоже на формирование галактик, разве что размах поменьше: газовое облако сжимается, а столкновения приводят к замедлению вещества и рождению звезд, в нашем случае — Солнца. Эффект фигуриста заставит все это вращаться, и в диске, который возникает вокруг звезды, в конце концов сформируются планеты из сталкивающегося вещества.

Очевидно, что столкновения играют не последнюю роль как в образовании галактик, так и звезд. Плотные неровные структуры, такие как галактики и планетные системы, образуются в результате взаимодействия между гравитацией, которая сжимает вещество, и столкновениями, замедляющими сжатие. Когда гравитация влияет на темную материю, та сжимается и образовывает области с наибольшей концентрацией. Темная материя скапливается как вокруг галактик, так и вокруг скоплений галактик, а около центров галактик темной материи больше, чем на краях. Поскольку темная материя не сталкивается, она никогда не образует таких же плотных структур с комками, как обычное вещество.