Невидимая решетка Вселенной. Что такое темная материя

Невидимая решетка

Представьте, как Шерлок Холмс или Эркюль Пуаро используют свои немалые индуктивные и дедуктивные способности для расследования убийства. Есть улики, мотив и место преступления — но не хватает жертвы. Астрономы, которые пытаются обнаружить темную материю — нечто невидимое, пронизывающее космос, — оказываются лицом к лицу с такой же загадкой. Подобным образом происходит охота на черные дыры — мы можем только искать следы влияния невидимой материи на окружающее пространство. Можно выявить влияние гравитационного поля черной дыры на близлежащие объекты и, учитывая общую относительность, исследовать, как невидимая материя преломляет свет. Но это по-прежнему остается астрономическим аналогом состава правонарушения с точки зрения обвинителя — сложно доказать убийство при отсутствии тела.

Однако темная материя представляет собой куда более неуловимую добычу, чем черные дыры: в отличие от обычной материи она не излучает, не поглощает и не отражает электромагнитные волны. Она инертна. Единственное, что мы знаем точно, — частицы темной материи, которые, вероятно, сформировались во Вселенной очень рано, несмотря на свою специфичность, имеют массу, составляющую почти всю общую массу материи во Вселенной, и под действием гравитации эти частицы собираются в отдельные массивы. Все известные элементы периодической таблицы, включая те, из которых построено наше тело, составляют мизерные 4 % всего состава Вселенной, включая материю и энергию, — крайне незначительное число по отношению к количеству темной материи. Темная материя является основой для формирования и изменения звезд и галактик. И все же мы знаем о ней очень мало.

Предыстория исследования темной материи начинается в весьма неожиданных декорациях — обшарпанной мастерской мастера-стеклодува в Мюнхене XIX в. Здесь старики выдували расплавленное стекло в пузыри и затем придавали им форму с помощью воздуходувной трубки и горелки. Йозеф фон Фраунгофер, родившийся  6 марта 1787 г. в Баварии, был одиннадцатым и последним ребенком мастера стекольных дел Франца Ксавьера Фраунгофера и Марии Анны Фролих. И по материнской, и по отцовской линии на протяжении нескольких поколений передавалась традиция стекольного ремесла. Осиротев в возрасте 11 лет, Фраунгофер пошел учеником к придворному мастеру-стеклорезу в Мюнхене. Мальчик находился внутри здания мастерской, когда в 1801 г. оно рухнуло, но его спасли. Под влиянием трагедии курфюрст Максимилиан IV Иосиф, который позднее стал королем Баварии, лично предоставил денежные средства, чтобы обеспечить будущее юноши. Фраунгофер использовал эту возможность для изобретения инструмента, который кардинально изменил всю астрономию и позволил впервые обнаружить темную материю 132 года спустя. Фриц Цвикки, первооткрыватель темной материи в 1933 г., обязан своим успехом обрушению стекольной лавки XIX в.

Основой для исследования Фраунгофера стал тот факт, что свет, излучаемый любым объектом, чем-то похож на отпечаток пальца — он оставляет за собой особого рода свидетельства, зашифрованные в виде частоты, которая указывает на уникальные свойства химических составляющих каждого объекта. Устав от производства декоративных стеклянных изделий для королевского двора, неутомимый юный Фраунгофер получил должность в Институте оптики имени Йозефа Уцшнайдера в Мюнхене. Там он прошел официальное обучение в области физики, математики и оптики. Будучи талантливым учеником, он продолжил работу и написал в 1807 г. авторитетное исследование, которое показывает превосходство изображения параболических зеркал, используемых в телескопах-рефлекторах. Спустя шесть лет после спасения из-под руин Фраунгофер осуществил значительный прорыв в производстве оптических линз для астрономических телескопов.

Когда лучи света касаются стеклянной поверхности линзы, они искривляются (преломляются). Степень преломления зависит от свойств материала (в данном случае от состава стекла) и длины волны света. Например, в видимом спектре красный свет едва ли меняет свою траекторию, проходя через линзу, а фиолетовый цвет с более короткой длиной волны изменяет свой путь. Точно так же как оптик изготавливает для нас очки определенной силы, мы, астрономы, должны калибровать линзы телескопа для определения яркости объектов, которые можем наблюдать. Поскольку увеличение отдаленных тусклых объектов происходит с помощью собирающей способности поверхности линз телескопа, процесс калибровки включает разработку линз, которые могут собирать вместе все цвета. Понимая волновую природу света, Фраунгофер изобрел спектроскоп , который разделяет световые частоты. Это дало возможность прочитать уникальные отпечатки химических элементов, присутствующих в спектре отдаленного объекта, и определить его составляющие. Современники Фраунгофера скоро признали его талант, и впоследствии он стал директором Института оптики.

Хотя многие из методов шлифовки и полировки зеркал умерли вместе с Фраунгофером, его способ калибровки линз и изобретение спектроскопии способствовали переменам в нашем понимании состава и свойств астрономических объектов — как близких, так и отдаленных. Изобретенная им спектроскопия , анализ спектра космических источников света, ставшая новым мощным инструментом количественного анализа, изменила астрономию. В 1812 г., используя в своей лаборатории известные источники света, такие как натриевые лампы, Фраунгофер определил коэффициенты преломления для линз и откалибровал их с помощью солнечного света. Измерив спектр солнечного света, он обнаружил 600 темных линий, известных сегодня как линии Фраунгофера. Понимая, что дело в свойствах солнечного света, он определил коэффициенты преломления для каждого цвета в солнечном спектре, откалибровав линзы по темным линиям. Эти линии отображают атомный состав солнца. Фраунгофер не стал далее углубляться в происхождение этих линий, он измерил их длину волны и, таким образом, собрал первый спектрограф. Также он заметил, что спектр ярчайших звезд отличался от спектра, излучаемого Солнцем.

Открытие темных линий в спектре Солнца привело к появлению множества способов прикладного применения спектроскопии в астрономии. Без спектроскопа мы получали бы изображения, из которых нельзя извлечь информацию о приближении или удалении космических объектов, и стала бы невозможной работа Весто Слайфера, Генриетты Ливитт, Эдвина Хаббла и других. Астрономия застряла бы на этапе симпатичных картинок. Проще говоря, Фраунгофер запустил методы и технологии, которые усовершенствовали спектрограф — ключевой инструмент точных измерений ускоряющихся туманностей, и это 120 лет спустя привело к предположению о существовании темной материи.

Часть истории открытия темной материи несколько отличается от той, что я уже описывала. Если сравнивать ее с историей открытия черных дыр, здесь мы не видим никакой математической теории, которая бы предполагала наличие темной материи. Есть только ряд ставящих в тупик наблюдений, которые на первый взгляд не соответствовали ньютоновской теории притяжения там, где она должна была бы действовать. Астрономы рассчитывали массы галактик из их движения и в ходе подобной работы обнаруживали значительные отклонения. Наблюдения давали основания предположить, что реальная масса в 10 раз превосходила видимую. Несмотря на солидные эмпирические свидетельства, идея темной материи, хотя и полностью опирающаяся на данные наблюдений, не сразу получила всемирное признание. Неудивительно, что астрономы сопротивлялись представлению о чем-то невидимом с учетом судьбы появлявшихся ранее гипотез о существовании невидимых сил и всепроникающих жидкостей — таких как эфир, миазмы и флогистон. Все они в конце концов получили свое опровержение. Появление еще одного невидимого фактора для объяснения наблюдений едва ли выглядело убедительно.

Фриц Цвикки — блестящий, изобретательный и раздражительный — стал первым, кто сослался на темную материю в своей работе в 1933 г. Он зарегистрировал движения галактик в близлежащем их скоплении в созвездии Волосы Вероники (скопление Кома) в надежде, что сможет вычислить их массу. Сегодня мы знаем, что скопления — одни из наиболее массивных структур во Вселенной. Все скопления, включая Волосы Вероники, состоят из более тысячи галактик, которые вращаются с гигантской скоростью и удерживаются вместе силой гравитации. Цвикки подробно изучил движение восьми ярчайших галактик в созвездии Волосы Вероники с помощью спектрографа на 100-дюймовом телескопе в той же обсерватории Маунт-Вилсон, где Хаббл открыл расширяющуюся Вселенную. Цвикки обнаружил, что все галактики в скоплении вращаются куда быстрее, чем должны по прогнозам, если брать во внимание только притяжение видимых звезд. Его данные показали, что скорость этих галактик равна примерно 3 млн км/ч, и это подразумевает, что масса в скоплении в 400 раз более плотная, чем можно ожидать. Он опубликовал эти результаты в 1933 г. в своей работе, которая утверждает, что в звездном скоплении в созвездии Волосы Вероники, как и во всей Вселенной при ее расширении, должен присутствовать невидимый и неявный компонент — dunkle materie, или темная материя, чья масса, видимо, отвечает за такие высокие скорости.

В этой работе Цвикки выдвигает следующее предположение: «Если это [повышенная плотность] подтвердится, нам придется сделать ошеломительный вывод о наличии [в звездном скоплении в созвездии Волосы Вероники] темной материи с куда большей плотностью, чем у светящейся материи». В заключение он пишет о том, что «большая дисперсия скоростей в скоплении в созвездии Волосы Вероники (и в других скоплениях галактик) представляет собой нерешенную проблему».

Выводы Цвикки явно основываются на измерении основного количественного показателя — соотношения массы и света, которое зависит от постоянной Хаббла. Мы помним, что постоянная Хаббла соотносит скорость с расстояниями по закону Хаббла (как мы видели в главе ) и позволяет оценить возраст Вселенной. Соотношение массы и света представляет собой число, описывающее весь свет, произведенный совокупностью звезд относительно их массы. В 1933 г. Цвикки не осмелился оспорить значение постоянной Хаббла или снизить коэффициент массы к свету для урегулирования несоответствия между массой, необходимой для обоснования движения в скоплении галактик в созвездии Волосы Вероники, и тем, что он видел. Ссылка на темную материю была единственным решением.

В 1936 г., спустя три года после того, как Цвикки опубликовал свою работу, Синклер Смит привел аналогичные аргументы относительно невидимого компонента массы в другом соседнем скоплении — в созвездии Девы. Смит предположил, что недостающая масса может скрываться в пустотах скопления между туманностями. И даже после второй подобной работы, посвященной обоснованию темной материи в скоплениях, данная концепция не привлекла особого внимания.

Если учитывать высокое положение Цвикки и приписываемые ему многие фундаментальные открытия, удивительно, что эти первичные выводы остались незамеченными в астрономическом сообществе. Возможно, отчасти по причине его характера развитие вопроса темной материи остановилось на несколько десятилетий, и только в 1970 г. идея была реанимирована в рамках обоснования проблемы совершенно иных масштабов — скоростей звезд внутри галактики. Спустя 40 лет после появления работы Цвикки, в которой он сообщал о своем открытии, астрономы Вера Рубин и Кент Форд по счастливой случайности заново открыли темную материю, рассчитывая массы отдельных спиральных галактик. Они работали, используя измеренную скорость движения звезд, которую вычислили, разделяя их свет с помощью спектрографа с электронно-оптическим преобразователем, и затем наблюдая за красным и синим смещением спектров. Работа Рубин и Форда не предусматривала поисков темной материи — они искали доказательства вращения спиральных галактик. Но в данных ученые обнаружили нечто нелогичное. Движение звезд в спиральных галактиках показывало, что звезды находились под влиянием куда более мощного гравитационного притяжения, — и, как следствие, двигались куда быстрее, чем можно было предположить на основании исключительно видимой массы звезд и газа в галактиках. С точки зрения Рубин и Форда, речь снова шла о месте преступления без самого тела. Так как они занимались галактиками, то не установили связь между недостающей массой, которая им требовалась для обоснования скоростей звезд, и упомянутой Цвикки dunkle materie в скоплениях. Как мы уже видели, принять новые идеи не так просто; историк науки Дерек де Солла Прайс отмечает: «Возможно, даже лучше, что многие важные открытия должны совершаться дважды или трижды независимо друг от друга и слегка по-разному». Именно так и произошло с открытием темной материи. Осознание того, что одна и та же неуловимая темная материя может решить сразу две загадки на двух совершенно различных физических уровнях, должно было основываться на теории.

В конце 1970-х гг. теоретическая интерпретация не успевала за эмпирическими открытиями в космологии, но достижение Рубин и Форда оказалось переломным моментом в исследовании темной материи. Понадобилось всего 10 лет, чтобы сформулировать принятую ныне теоретическую модель формирования всех структур во Вселенной под влиянием темной материи. Свидетельства, основанные на многочисленных независимых наблюдениях, утвердили данную стандартную модель интерпретации образования галактик, известную как концепция холодной темной материи. В этой модели темная материя является первичной движущей силой образования всех структур. Сегодня существование темной материи и важная роль, которую она играет в космосе, получили широкое признание. Тем не менее остается несколько небольших пробелов между теоретическими предпосылками и наблюдениями. С учетом сложности данной модели и степени ее разработанности и шлифовки стремление оспорить ее или предложить альтернативный вариант сопровождается невероятными трудностями. Тем не менее предпринимаются смелые попытки сформулировать конкурентоспособные версии — альтернативные представления, которые решали бы потребность в темной материи. Вскоре мы к ним обратимся.

Одно из отличий истории открытий темной материи от истории открытий черных дыр или расширяющейся Вселенной состоит в том, что мы столкнемся здесь с меньшим числом авторитетных ученых, чьи непоколебимые взгляды препятствовали бы признанию данной идеи. Наука и процесс генерации знаний значительно изменились в период с 1933 по 1978 г. — теперь это стало больше походить на совместную деятельность, что привело к расширению поля научных дискуссий. Наука и технологии стали играть более важную роль в обыденной жизни. Мировые события, включая Вторую мировую войну и запуск СССР первого космического аппарата «Спутник-1», стимулировали американскую науку и машиностроение. Военно-промышленный комплекс, созданный для нужд фронта, потребовал крупных государственных инвестиций в науку и технологии, что впоследствии сдвинуло большую часть передовых исследований в США. Конечно, важнейшим фактором, который повлиял на все это, стало переселение талантливых ученых и инженеров из Европы в первой половине XX в., освобождение великих умов, что в некотором смысле можно рассматривать как репарации интеллектуальной войны, которая началась давно и продолжала наращивать темпы. Это также придало новое ускорение научным исследованиям. Важную роль сыграло интеллектуальное руководство предприимчивого астронома Джорджа Эллери Хейла. С начала 1900-х гг. он обеспечил поддержку американских филантропов для установки первоклассного оборудования, телескопов и создания научно-исследовательской базы на Западном побережье. Астрономия была готова воспользоваться таким грандиозным сотрудничеством.

История темной материи неразрывно связана с некоторыми из наиболее прогрессивных умов XX в. в сфере астрономии. Эйнштейн и Хаббл также являются персонажами этой повести, хотя ее главные герои — Цвикки, Рубин и Форд. Снова стоит заметить, что к 1970-м гг. соперничество и конкуренция в космологии приняли совершенно иную форму. По сравнению с прошлыми десятилетиями, когда господа ученые спорили и сражались друг с другом в обитых плюшем залах Королевского общества или Тринити-колледжа в Кембридже, отныне участие в науке приобрело более широкий характер, в частности когда центр притяжения новых открытий постепенно переместился из континентальной Европы и Великобритании в США. На специально организованных собраниях проходили открытые дебаты, космология лишалась прежних границ и становилась глобальной. Началась демократизация астрономии. С интеллектуальной стороны астрономия из сферы, концентрирующейся на выявлении отдельных объектов и явлений, выросла в науку, которая все плотнее занималась вопросами более систематических и точных измерений. В этот момент возрастали запрос и потребность в высокоточных инструментах для проведения и дублирования наблюдений с меньшими погрешностями. Случай темной материи иллюстрирует новую важную роль, которую играло оборудование и наблюдения в стимулировании развития теории для толкования данных. Нежелание принять идею темной материи освещает многие новые измерения в научной практике, которая значительно эволюционировала с начала 1900-х гг.

Перевод: Арсен Хачоян, Инна Черкашина