Йостейн Рисер Кристиансен

Невидимая Вселенная

Темные секреты космоса

Для читателей,
неравнодушных
к загадкам природы

Астрономы любят темноту. Ночное темное небо — это наша лаборатория, наш объект исследования. Темная башня телескопа — это наше рабочее место. Любой искусственный свет мешает изучать слабое свечение космических тел. В эпоху химической фотографии — а многие еще помнят фотопленку и фотопластинки — мы работали в абсолютной темноте, на ощупь, чтобы не засветить чувствительную фотоэмульсию.

Очень любят астрономы темноту, но только если она не мешает, а помогает изучать небесные светила. Однако не всякая темнота помогает нам в этом. Темные облака космической пыли закрывают от нас многие уголки Галактики, оставляя их на долгие годы неисследованными. Луч света не проходит сквозь эти облака, и мы не видим, что находится за ними и внутри них. Поэтому такие черные пятна на звездном небе мы называем по-английски не black clouds (черные облака), а dark clouds (темные, загадочные, непонятные облака). Слово dark используется и в выражении dark side of the Moon, хотя все знают, что обратная сторона Луны вовсе не темнее видимой ее стороны, ведь на обеих бывают и день, и ночь. Но обратная сторона Луны веками оставалась загадочной, пока в 1959 году ее не сфотографировал наш космический зонд. В этот момент не стало одного из «темных» астрономических объектов, но вскоре ему на смену пришли другие.

В 1970-х стало окончательно ясно, что во Вселенной существует огромное количество вещества, обладающего гравитацией, но невидимого для телескопов любого типа — от рентгеновских до радио. Это невидимое вещество назвали по-английски dark matter. Оно до сих пор представляет загадку для ученых. Именно поэтому не black, а dark. По-русски мы называем его «темная материя», или «темное вещество», что точнее, поскольку материя — это все сущее, включая поля, а вещество — это частицы, которые можно остановить и взвесить. Армия физиков сейчас работает над тем, чтобы понять, что же такое это темное вещество. В книге об этом подробно рассказано.

Вторая и еще более загадочная сущность проявила себя в конце 1990-х, когда астрономы обнаружили, что наша Вселенная расширяется ускоренно. Источник этой расталкивающей антигравитационной силы назвали dark energy — «темная энергия». Природа этой энергии — наиболее серьезный вызов для современной физики, поскольку есть много теоретических идей, которые трудно пока проверить. А если вспомнить еще о черных дырах, с которыми тоже связано немало загадок, то можно сказать, что современные астрофизики в основном занимаются «темными делами».

Именно этим загадочным сущностям — темной материи и темной энергии — посвящена книга, которую вы взяли сейчас в руки. Советую вам не расставаться с ней, поскольку написана она профессионалом и предназначена для читателей, неравнодушных к загадкам природы. При этом от читателя не требуется глубоких знаний физики и астрономии — достаточно вспомнить кое-что из школьных курсов и с головой погрузиться в интересный рассказ о Вселенной.

В. Г. Сурдин, науч. редактор,

астроном, канд. физ.-мат. наук, доцент МГУ

Предисловие

Мне было, пожалуй, лет пятнадцать, и я только наткнулся на энциклопедию, в которой говорилось, что Солнце уже наполовину состарилось. Ему вроде бы пять миллиардов лет, а это половина жизненного цикла звезды. Через несколько дней я разглядывал ясное звездное небо. В тот момент наука впервые пошатнула веру в Бога. То было первое крупное осознание извне.

Цитата взята из книги бесед Альфа ван дер Хагена с Хьеллем Аскильдсеном [1]. Читал я ее, как раз когда работал над последней частью моей первой книги. Я вдруг осознал, что размышления Аскильдсена под звездным небом, должно быть, характерны для многих. И речь совсем не о том, что людям свойственно отрекаться от веры, глядя на звезды, — для многих ситуация, скорее, обратная. Но думаю, среди нас немало тех, кого звездный небосвод заставляет задаваться экзистенциальными вопросами. Вселенная и мысли о том, что скрывается где-то в космосе, обостряют наше понимание природы и реальности. Захватывающие изображения огромных межзвездных туманностей, размышления о существовании жизни на других планетах, черные дыры и темная материя — все это оседает глубоко в нас и сразу же завораживает. Не раз я обращал внимание на то, как бесконечные клики удерживают новости астрономии на верхних строчках новостных интернет-ресурсов. Есть хоть одна другая ветвь науки, способная похвастаться такой же всеобщей заинтересованностью?

А за могущественной видимой Вселенной, которая ночами окутывает нас, скрывается нечто иное и гораздо более впечатляющее. Ведь большинство астрономов сегодня считает, что 95 процентов содержимого Вселенной невидимо. Все наблюдаемое нами в повседневной жизни и на красивых картинках с телескопа «Хаббл» составляет, вероятно, лишь пять процентов от того, что скрывается в космосе. Остальное же — темная материя и энергия, та часть реальности, которую мы только-только начали понимать. Именно этим 95 процентам невидимой Вселенной и посвящена эта книга.

Несомненно, 95 процентов Вселенной — тема серьезная. Но это далеко не учебник, и у меня не было цели охватить все технические детали и подробности наших знаний о невидимом космосе. Вместо этого я попытался уделить достаточно времени объяснению некоторых наиболее важных концепций. Моя целевая аудитория — читатели без предварительной подготовки, которым любопытна Вселенная, люди, забывшие многое из школьной программы естествознания и физики. А еще я надеюсь, что и учителям эта книга принесет пользу и удовольствие. Вселенная — это та тема, которой отводится порядочная часть школьной учебной программы, и наши знания о ней значительно расширились за последнюю пару десятилетий.

Я постарался сделать изложение материала не слишком тяжелым и недоступным. Значительная часть работы над книгой заключалась в избавлении от излишней информации. Моей целью было сохранить равновесие между базовой физикой и рассказами о людях, стоящих за историей и будущим астрономии. Как правило, в учебниках сперва приводится основная теория. Я попробовал вести повествование о невидимой Вселенной в обратном порядке: сначала мы познакомимся со Вселенной и наблюдениями за ней. И поэтому я надеюсь, что, когда дело дойдет до разъяснения физических механизмов, на которых все основывается, вам хватит мотивации.

Книга намеренно написана неформальным языком. В некоторых случаях повседневное значение слова не совпадает с его научным значением. Тут я склонялся к первому варианту. Возьмем, например, слово «теория». В науке теория — это тщательно проверенное объяснение того, как устроена природа. Говоря о теории, в повседневной речи мы часто имеем в виду предположительное объяснение, которое может быть правдой, — то же самое, что в науке часто называют гипотезой. В книге я могу использовать слово «теория» в отношении того, что является лишь гипотезой просто потому, что «теория» — более привычное слово.

При популяризации науки приходится постоянно искать компромисс между по-научному точным и не слишком нудным объяснениями. Во многих случаях некоторые чересчур сложные детали я опускаю. Тем не менее я уделяю большое внимание научной точности написанного. Я потратил много времени на ознакомление с профессиональными статьями — как старыми, так и новыми, чтобы подвести под свои слова прочный фундамент.

Ссылки и комментарии я решил собрать в общей системе заметок: хочу, чтобы текст выглядел целостным для тех, кто не хочет копаться во всех тонкостях. Когда я обращаюсь к примечанию в связи с конкретным результатом исследования, то почти всегда привожу ссылку на профессиональную статью, требующую солидных предварительных знаний. В иных же случаях я ссылаюсь на примечания в более общей части текста. Затем примечание часто содержит уточнение или ссылку на более доступный, популярный текст по теме. Когда я указываю URL-адреса, то это почти всегда тексты, которые можно бесплатно почитать в интернете.

Настало время для благодарностей. Эта книга вряд ли увидела бы свет без финансирования Норвежской ассоциацией писателей и переводчиков документальной прозы. Спасибо вам за поощрение популяризации науки. Огромное спасибо моему брату Ларсу Бьерке, а еще Эллен Метте Бернтсен и Тронду Эйднесу за неоценимый вклад в первые наброски сценария. Вы сделали эту книгу лучше. Спасибо Николасу Гренебуму за нелишнюю помощь и глупые шутки. Бару Polar за помощь в организации приятных перерывов. Редактор Кристин Лиллетведт Стрем и профессиональный консультант Ойстейн Элгарой внесли немало полезных комментариев и исправлений. За все оставшиеся в книге ошибки несу ответственность исключительно я.

Теперь полагается сказать, что работа над книгой не мешала моей семье. Но это было бы ложью. Большое спасибо за вашу поддержку и огромное терпение! Я люблю вас.

Большая невидимая Вселенная

Стоя в темноте, я вижу свет на расстоянии.
Так холодно, что жду тепла от звезд мерцания.
ЯН ТЕЙГЕН. Оптимист

Поздняя осень, ясная погода, ночь. Вы высоко в горах. Назойливые огни города слишком далеко, а Луну не видно за горизонтом. Свет исходит лишь от звезд над вами — нескольких тысяч крошечных светящихся точек. Их свет слишком слабенький — даже зубную щетку не разглядеть, и кажется, что слова Яна Тейгена о тепле звезд на самом деле бессмысленны. Но не дайте этому скромному свету вас обмануть. Вы ведь знаете, что эти точки — далекие солнца, а многие из них еще и гораздо больше нашего. Да и Солнце совсем не маленькое: в него поместился бы миллион таких планет, как Земля, а его поверхность раскалена до нескольких тысяч градусов.

На востоке низко над горизонтом вы заметите созвездие Орион. Звезда на плече Ориона — Бетельгейзе — выделяется ярким красным свечением. Звезды типа Бетельгейзе называются красными сверхгигантами. Она настолько огромна, что вместила бы три миллиарда наших солнц. Но, несмотря на невероятные размеры, из-за большого расстояния не стоит ждать от Бетельгейзе тепла.

За Бетельгейзе и другими звездами можно разглядеть белую туманную полосу, растянувшуюся по небу, — Млечный Путь (см. рис. 1 на цв. вклейке). Если хорошенько вглядеться, то заметно, что эта полоса тоже состоит из мириад звезд, которые так слабо светят и расположены настолько близко друг к другу, что их невозможно различить невооруженным взглядом. Мы и все одиночные звезды, видимые нам, — это часть Млечного Пути.

Во Вселенной много других галактик. Очень много. В каждой галактике мириады звезд. Тут трудно не восхититься — и вот вы уже занимаете свое место в ряду восхищенных наблюдателей за звездами, а начало этой вереницы было положено еще при зарождении человечества. Если не раньше. Но вы, в отличие от ваших любующихся звездами предшественников, живете во время, когда мы действительно начали понимать, на что смотрим: размеры, движение и хронологические рамки постепенно встают на свое место. К тому же в последние десятилетия наши знания о Вселенной значительно расширились.

Тем не менее головоломка Вселенной содержит в себе множество вопросительных знаков. Наверное, два самых важных неотвеченных вопроса — это что скрывается за причудливыми субстанциями, которые мы называем «темная энергия» и «темная материя». Мы полагаем, что Вселенная на 95 процентов состоит из них. И в то же время никто сегодня не способен ответить, чем же являются эти неведомые, даже забавные составляющие. Но что-то мы все же знаем. Например, что как темная материя, так и темная энергия незримы. Свет они не излучают и не отражают, оставаясь прозрачными, будто только что помытое окно. А еще их во Вселенной огромное количество. Возникает все больше вопросов. Если темная энергия и темная материя незримы, откуда мы вообще знаем, что они существуют? И в таком случае где они? А на Земле есть темная материя и темная энергия? И что же такое на самом деле темная материя и темная энергия?

Может, вы уже настроены недоверчиво? На это у вас имеются все основания. Утверждать существование невидимого вещества с научно-фантастичным названием — заявление смелое. А смелые заявления требуют надежных доказательств [2]. В этой книге мы обсудим, почему темная материя и темная энергия необходимы для понимания Вселенной, в которой мы живем, и почему их должно быть настолько много. Мы также попробуем понять, чем являются темная материя и темная энергия. И хотя пока мы не знаем, что такое темная материя и темная энергия, нам известно многое о возможных свойствах этих субстанций. Это дает нам возможность спекулировать, фантазировать и выдвигать обоснованные фактами догадки. Более того, мы посмотрим, каким образом в ближайшие годы нам все же может стать известно больше о природе темной материи и энергии. В погоне за ними мы отправимся в путешествие по Вселенной, за пределы Солнечной системы и нашей Галактики. А еще вернемся в прошлое, к самому рождению Вселенной. И обратно. Мы погрузимся в микроскопический квантовый мир. Поближе познакомимся с силой тяжести, светом, физической составляющей невидимости, взрывающимися звездами-гигантами, сталкивающимися галактическими комками, сверхчувствительными детекторами в глубоких шахтах, гениальными учеными, сферическими ублюдками и судьбой Вселенной. И все это — в попытке понять огромную Вселенную, которая смотрит на нас холодными осенними ночами.

Невидимые яблоки Ньютона

Начнем с небольшого вступления, посвященного понятиям темной материи и темной энергии. Для этого мы прокрадемся в английский яблоневый сад одного из величайших физиков в истории.

Вы узнаете его по парику-облаку с завитками, белым чулкам и одержимости алхимией и мистицизмом. Но прежде всего британец Исаак Ньютон (1642/43–1727) был величайшим на свете математиком и физиком. Он, например, открыл закон всемирного тяготения, согласно которому сила, притягивающая нас к Земле, — это та же сила, что заставляет Луну обращаться вокруг Земли, а Землю — вокруг Солнца. Сила тяжести играет ключевую роль в охоте на темную материю и темную энергию.

Вы же слышали историю про Ньютона и яблоко? Про то, как сила тяжести сама открылась ученому, когда тот сидел под деревом и яблоко упало ему на голову? Этот миф, конечно, слишком хорош, красив и прост, чтобы быть правдой. Но Исаак Ньютон, несомненно, проводил много времени в яблоневом саду, да и сам, можно сказать, всячески поддерживал эту версию. Друг Ньютона и его первый биограф Уильям Стьюкли впоследствии так описывает одну из встреч с ученым: «…Мы прогуливались в саду и пили чай в тени яблони, только он и я. Он упомянул, что в такой же обстановке задумался и о понятии гравитации. “Почему яблоки всегда падают перпендикулярно земле?” — пришло ему как-то в голову, когда прямо перед ним упало яблоко» [3].

Здесь Ньютон сам упоминает яблоко, хотя на голову ему ничего не падало, разве что в переносном смысле. С яблоком или без, Ньютон обращает внимание на важную характеристику яблок или любой другой материи: они падают вниз — прямо вниз. Но почему? Вот что рассказывает Стьюкли: «…наверняка их притягивает Земля. Должно быть, в материи есть какая-то притягивающая сила». Таким образом, если материя притягивает материю, то это должно быть пропорционально множеству. Следовательно, яблоко притягивается к Земле так же, как Земля притягивается к яблоку. Земля притягивает яблоко, а яблоко — Землю. Чем больше масса, тем сильнее притяжение. Впрочем, проведем сначала небольшой мысленный эксперимент. Представим, что яблоко состояло из темной материи. Что бы тогда увидел Ньютон?

Ну, во-первых, яблоко из темной материи было бы невидимым. Ну ладно, представим ради эксперимента, что Ньютон вытащил из белых кудрей своего парика волшебные очки от невидимости. Что бы он увидел? Уж точно ничего похожего на яблоко. Обычное яблоко связывает в себе атомы и молекулы, они составляют его, склеиваются друг с другом, образуя форму яблока. У темной материи формы нет. Если бы нам удалось создать комок темной материи, как яблоко например, то это яблоко сразу же потеряло бы форму из-за разлетающихся, разбегающихся, как школьники в парке развлечений, частиц. Странное дело, да.

Но что, если нам все же удалось бы сохранить форму яблока из темной материи? Что произошло бы? Яблоко бы упало на землю благодаря силе тяжести точно так же, как и обычное яблоко! Так что, хотя темная материя невидима и у нее нет формы, это все же материя, а значит, у нее есть масса и она сколько-то да весит. И если темная материя сколько-то да весит, она может притягивать другую материю и притягиваться сама, следуя все тому же закону всемирного тяготения, что и обычные яблоки.

Таким образом, яблоко из темной материи упадет на землю. Наш друг Ньютон в белых чулках и волшебных очках от невидимости наблюдает, ничуть не удивляясь, как падает яблоко. А потом ученого ждет сюрприз: достигнув земли, яблоко не останавливается, в отличие от обычного, а продолжает стремиться вниз, к центру Земли. Озадаченный ученый долго сидит и почесывает одетую в парик голову. Но вот через полтора часа [4] после исчезновения яблоко появляется снова. Оно выпрыгивает в воздух из земли. Однако сила тяжести затормаживает яблоко, и вскоре оно поворачивает обратно к земле. И таким образом яблоко из темной материи продолжает с определенной периодичностью исчезать и появляться перед Ньютоном. Каждый раз перед тем, как выскочить из-под земли в саду Ньютона, оно доходит до центра Земли и выныривает с другой стороны.

Ньютон в очках от невидимости с удивлением наблюдает, как яблоко из темной материи возвращается обратно, совершив путешествие сквозь Землю. Иллюстрация: Herb.

Этот эксперимент иллюстрирует ключевые характеристики темной материи:

1. Темная материя невидима.

2. Темная материя не имеет формы.

3. У темной материи есть масса, и благодаря силе тяжести темная материя подвергается такому же влиянию, как и обычная материя.

4. Темная материя не сталкивается ни с обычной материей, ни с другими темными материями.

И этого невидимого, неосязаемого вещества во Вселенной очень много. Так много, что на каждый килограмм обычной материи приходится пять килограммов темной материи. Однако видимая и темная материя вместе составляют лишь 30 процентов нашей Вселенной: пять процентов — обычная материя и 25 процентов — темная материя. Остальные 70 процентов составляет то, что мы называем темной энергией. Что же это такое?

Содержание Вселенной. Все, что мы видим, относится к узкому кусочку пирога с обычной материей.

Мы возвращаемся назад в яблоневый сад, но пусть на этот раз яблоко состоит из темной энергии. Что произойдет тогда? Яблоко опять было бы невидимым, и, подобно яблоку из темной материи, яблоко из темной энергии не имело бы формы и не сталкивалось бы с обычной материей. А вот что с силой тяжести? Упало бы яблоко из темной энергии вниз так же, как яблоко из темной материи? Нет. Яблоко бы упало, но вверх.

Для темной энергии характерна отталкивающая гравитация. То, что гравитация может быть как отталкивающей, так и притягивающей, — факт не очень широко известный. Большинство из нас видели, как, в зависимости от положения, притягиваются или отталкиваются друг от друга два магнита. Но отталкивающая гравитация — это совсем не то, что мы наблюдаем в обычной жизни. Тем не менее большинство астрономов считают, что 70 процентов нашей Вселенной состоит из отталкивающей темной энергии.

Тогда откуда же мы о ней знаем? Вселенная — это то место, где расширяются темная материя и темная энергия. И перед тем, как узнать о них больше, стоит устроить экскурсию по Вселенной, понять, как она образовалась, и составить представление о ее размерах.

Небесная иерархия

У большинства из нас имеются представления о размерах Земли. Поездка от Осло до Тронхейма на машине занимает примерно семь часов, и такое расстояние составляет где-то одну сотую от длины экватора Земли. Таким образом, путешествие вокруг Земли с такой же скоростью займет месяц без остановок. А до Луны — почти год. То есть время в пути до нашего ближайшего астрономического соседа примерно равно затянувшемуся отпуску и неторопливому путешествию на машине.

А вот до Солнца, к примеру, на машине добраться сложнее, даже если в нашем распоряжении будет целая человеческая жизнь: при такой скорости нам понадобится больше 200 лет. Чтобы получить представление о расстояниях, мы создадим модель, в которой мы и Солнечная система уменьшимся в 10 миллиардов раз.

В такой модели диаметр Земли будет немного больше миллиметра — размером с песчинку. Эта песчинка находится в 15 метрах от Солнца. А Солнце со своими значительными 14 сантиметрами в диаметре будет размером с кокосовый орех. И вот мы вращаемся на песчинке в 15 метрах от кокосового ореха. Между нами и Солнцем есть еще две песчинки: Венера и Меркурий. А помимо этого — пустота.

Солнечная система на Земле не заканчивается. Самая большая планета, Юпитер, превратится в нашей модели в маленький фундук диаметром 1,4 сантиметра, расположенный на расстоянии 78 метров от Солнца — кокосового ореха. Самая крайняя планета, Нептун, станет горошиной примерно в полукилометре от Солнца, далеко, очень далеко от песчинки — Земли. Если нам захочется добраться до Нептуна, то поездка на машине с прежней скоростью теперь займет больше 9000 лет.

Ближайшая к Солнцу звезда — Проксима Кентавра. Она немного меньше Солнца, и если Солнце — это кокосовый орех в Осло, то Проксиму Кентавра можно сравнить с грецким орехом в Сахаре. На таких расстояниях и рассредоточены звезды: кокосовый орех в Осло, грецкий орех в Сахаре, парочка манго в Судане, мандарин в Китае и так далее. Мы знаем, что у многих звезд есть свои планеты-песчинки, обращающиеся на расстоянии нескольких метров. Но в остальном — пустота.

Несмотря на эти астрономические расстояния между одиночными звездами, все звезды на ночном небе — часть нашей Галактики, то есть Млечного Пути. Если вы хорошо видите в темноте и у вас имеется темное местечко для наблюдений, то вы увидите примерно 5000 звезд, что ничтожно мало по сравнению с их общим количеством в Млечном Пути. В целом считается, что наша Галактика состоит из 300 миллиардов звезд. Звезд так же много, как сахаринок в 60 тоннах сахара. Звезды в Млечном Пути вращаются в галактическом диске, который сохраняет свою форму благодаря силе тяжести. Если учесть, что звезды достаточно многочисленны и, как мы убедились, располагаются на достаточно большом расстоянии друг от друга, то масштабы Млечного Пути вполне можно осмыслить. В нашей модели с Солнцем — кокосовым орехом в Осло и песчинкой — Землей в 15 метрах от него мы можем представить, что один конец Млечного Пути находится у кокосового ореха. Тогда уменьшенная в 10 миллиардов раз Галактика растянется на половину реального расстояния от Земли до Солнца. Огромное расстояние, хотя мы его и уменьшили.

Млечный Путь, в свою очередь, — лишь одна из непостижимого множества галактик. В той части Вселенной, которую мы имеем возможность изучать, насчитывается примерно столько же галактик, сколько звезд в Млечном Пути. Эти галактики распределены в пространстве не равномерно, а собраны в структуры, называемые группами и скоплениями галактик. Группы из скоплений галактик называются сверхскоплениями, а сами сверхскопления тоже образуют структуры, они имеют тенденцию к сбору в большие галактические нити, называемые «великие стены».

В той части Вселенной, за которой мы можем наблюдать, находится очень много сверхскоплений галактик. Одно из них — сверхскопление Девы. Оно содержит в себе десятки тысяч галактик. Одна из этих галактик — Млечный Путь — вращающийся диск с несколькими сотнями миллиардов звезд. И вокруг одного довольно обычного представителя этих звезд, Солнца, обращается небольшая планета-песчинка. На этой планете сидим мы и разглядываем Вселенную — сцену, где расширяются темная материя и темная энергия.

И что же мы видим с нашей планеты-песчинки? Как я уже упоминал, 70 процентов Вселенной составляет темная энергия, а 25 — темная материя. Пока что мы ненадолго оставим темную энергию и ее невероятную отталкивающую гравитацию и более интенсивно поищем темную материю. А заодно получше познакомимся с нашей Вселенной и законами физики, которые всё и связывают. Так мы подготовимся к тому, чтобы связать воедино нашу картину Вселенной с темной энергий во второй части книги.

Темная материя

Астрономы напали на след темной материи еще в 1930-х годах. Но большинство считало гипотезу о существовании большого количества невидимой материи притянутой за уши, и серьезно относиться к темной материи начали лишь спустя много лет, когда новые телескопы и техника произвели революцию в наших наблюдениях за Вселенной. И мало-помалу стало очевидно, что темную материю стоит взять на вооружение, хотя астрономы и сейчас не в восторге от идеи о том, что во Вселенной существует огромное количество невидимого вещества.

В этой главе мы разгадаем головоломку о том, как темная материя все-таки проникла в нашу стандартную картину Вселенной, и посмотрим, почему сейчас так сложно отрицать ее существование. Мы начнем с относительно недавних событий, когда в 2006 году столкновение скоплений галактик изящно разоблачило темную материю.

Когда скопления галактик сталкиваются

Посмотрите на рисунок 2 (на цв. вклейке). Фотография была сделана в 2006 году [5], и с тех самых пор астрономы на нее почти молятся. В этих синих и розовых точках раскрывается то, что мы по большей части и считаем темной материей. Что же вы видим на этом изображении?

В центре моментального снимка одна из жесточайших встреч в космосе: столкновение двух скоплений галактик, которое продолжалось в течение сотен миллионов лет. Изображенное здесь столкновение известно под названием Пуля (англ. Bullet Cluster) из-за похожего на пулю образования справа.

Скопление галактик — это, как мы уже поняли, система связанных друг с другом галактик. Галактики в скоплении притягивают друг друга благодаря силе тяжести, поэтому скопления, как и планеты Солнечной системы, остаются на месте и не разлетаются. Галактики кружатся друг вокруг друга, как комары над рыбаком, и, подобно тому, как рой комаров перемещается от одного рыбака к другому, скопления галактик двигаются в космическом пространстве. Иногда эти космические рои комаров сталкиваются. В случае со скоплением галактик Пуля два скопления сталкиваются со скоростью 2500 км/с — это все равно, что за секунду переместиться из Франции в Норвегию.

Что происходит во время таких столкновений? И зависит ли это от того, из чего они состоят? Помните то обычное видимое яблоко Ньютона? Ученого больше всего занимало, что происходило с яблоком, пока оно находилось в воздухе, а сила тяжести тянула его вниз. Но, наверно, самое захватывающее происходит, когда яблоко с глухим стуком ударяется о землю и останавливается. Оно сталкивается с землей, и, несмотря на то что сила тяжести продолжает воздействовать на яблоко, фрукт неподвижно лежит на траве. Это происходит, потому что яблоко состоит из обычной материи. Если мы заменим обычное яблоко на яблоко из темной материи, оно пройдет сквозь земной шар без столкновения.

То же самое происходит и когда сталкиваются скопления галактик. Если скопления состоят из обычной материи, то они сталкиваются и замедляют движение друг друга. А вот если скопления состоят из темной материи, то они беспрепятственно проходят сквозь друг друга, прямо как яблоко из темной материи беспрепятственно прошло сквозь Землю. Это теория. А сравнить с реальностью можно благодаря скоплению Пуля.

Если мы направим большой телескоп на скопление Пуля, то увидим желтые звезды и галактики, показанные на рисунке. Однако больших розовых и синих точек мы не увидим. Эти цвета были наложены на изображение позже. Что же нам показывают розовые и синие пятна?

Начнем с розовой части. Розовые точки отображают рентгеновские излучения, замеченные благодаря космическому телескопу «Чандра». Рентгеновское излучение — это еще один тип сверхсильного излучения, которое образуется во время мощных столкновений. Скопления галактик, помимо непосредственно галактик, содержат большое количество межгалактического газа. В скоплении галактик Пуля рентгеновское излучение образуется, когда два скопления встречаются и сталкиваются. Розовые точки также свидетельствуют о столкнувшихся газах. Темная материя не сталкивается, поэтому розовый цвет показывает нам лишь следы обычной видимой материи в скоплении галактик.

В скоплении галактик Пуля сталкиваются два скопления разных размеров. Меньшее скопление слева — небольшие, за­остренные точки правее от середины — уже влилось в значительную часть более крупного скопления. Заостренные формы можно сравнить с волнами, которые образуются вокруг носа лодки, врезающейся в воду, с одним лишь отличием — волны от маленького скопления галактик будут протягиваться на много сотен тысяч световых лет. Световой год — это обозначение расстояния, которое свет может преодолеть за год, и если учесть, что свет двигается настолько быстро, что за секунду может обогнуть Землю более семи раз, то световой год — это весьма большое расстояние, не говоря уже о сотне тысяч световых лет, что является протяженностью маленького скопления галактик.

Пока все сходится. Два скопления галактик встречаются, газы сталкиваются и испускают рентгеновское излучение, которое ясно показывает, насколько большие были скорости и размеры. Розовые области отображают обычную сталкивающуюся материю.

Но что такое синие точки? Синие участки показывают, где находится бóльшая часть материи — как видимой, так и невидимой. Таким образом, синие точки представляют собой карту массы Пули, в то время как розовые точки показывают видимое вещество в форме сталкивающегося газа. По краям синих точек заметно больше, чем розовых. Или, иначе говоря, основная часть материи в скоплении галактик Пуля находится вовсе не в месте скопления видимого газа. Как же это объяснить?

Давайте представим, что два сталкивающихся скопления галактик состоят из двух частей: одна часть из обычной сталкивающейся материи, а другая — гораздо массивнее — из несталкивающейся темной материи. Что случится, когда два скопления обрушатся друг на друга? Да, во время столкновения обычная материя столкнется и сильно замедлится. А темная материя не сталкивается и пройдет без изменений через столкновение. И именно это нам и показывают синие точки. Розовые области демонстрируют сталкивающуюся обычную материю, в то время как синий цвет указывает на части скопления галактик, которые не столкнулись, то есть темную материю.

Но как же «увидеть» невидимую материю? Как нам удалось нарисовать синие точки? Секрет заключается в технике с красивым названием — гравитационное линзирование.

Солянка из космических линз

Гравитационное линзирование. Все просто: гравитация, или сила тяжести, может использоваться как космическая суперлинза. Каким образом?

Мы привыкли к тому, что сила тяжести меняет маршрут материи. Если вы пнете футбольный мяч и он полетит под углом вверх, то сила тяжести рано или поздно изменит траекторию мяча так, что он повернется и упадет на землю. Изменения в направлении света для нас также не новость. Например, мы используем стеклянные линзы для создания очков, увеличительных луп и микроскопов. Но сила тяжести абсолютно так же влияет на траекторию света. Это явление впервые описано Эйнштейном в начале ХХ века в рамках теории относительности и с тех пор изучено в ряде экспериментов.

Немногие — скорее, вообще никто — замечают игру гравитационной линзы со зрительным восприятием по дороге на работу или обратно. Причина этому достаточно простая: явление совершенно незаметно, если только мы не наблюдаем за огромными расстояниями и мощной силой тяжести. Если мы, например, переключим внимание с Земли на скопления галактик и большое количество материи, то увидим как невероятные расстояния, так и большое количество материи, которые, в свою очередь, создают сильнейшую гравитацию. Тогда и можно наблюдать гравитационное линзирование.

Вы когда-нибудь смотрели на свечу сквозь основание ножки винного бокала? Помните же, как причудливо изгибается и искажается пламя. Пламя искажается, а степень искажения зависит от формы ножки. Искажение пламени свечи в этом случае очень напоминает искажение света в гравитационной линзе.

Скопление галактик в этом случае заменяет ножку бокала. Отдаленные галактики за скоплением галактик выступают в качестве свечи. Форма далеких галактик будет искажаться при прохождении света через скопление галактик. Из-за этого искажения свет принимает дугообразные и округлые формы, а галактики видно одновременно в нескольких местах на небе. Чем больше материи в скоплении галактик, тем сильнее действует сила тяжести и тем сильнее будет искажено изображение отдаленных галактик. Изучая форму далеких галактик, видимых через разные части скопления галактик, мы можем таким образом создать карту распределения вещества в скоплении галактик. На этой карте будет также отражена и темная материя, поскольку она создает гравитационную силу.

Посмотрите на рисунок 3 (на цв. вклейке). На снимке изображено скопление галактик Abell 2218 — одна из самых красивых из известных нам систем гравитационных линз. Все тонкие арки, которые вы видите на картинке, представляют собой далекие галактики, где свет был повернут силами гравитации. Когда смотришь на скопление галактик на заднем плане, то благодаря гравитационным силам ощущение такое, будто разглядываешь празднично освещенную рождественскую елку через бокал красного вина. То, насколько изгибаются отдаленные галактики, позволяет определить количество вещества в скоплении.

И хотя скопление Пуля не может предоставить такие же арки их линз, как Abell 2218, мы все же в состоянии найти достаточно искаженных галактик, чтобы определить, сколько вещества находится в разных местах скопления. Именно это и стало основанием для синих пятен, выявляющих темную материю.

Доказывает ли скопление Пуля существование
темной материи?

Гравитационное линзирование — очень мощный инструмент, позволяющий примерно рассчитать массу скопления галактик. Уникальная особенность скопления галактик Пуля — это мощное столкновение, которое разделило обычную и темную материю так, что они находятся в разных местах.

Было бы тяжело наблюдать за Пулей без упоминания темной материи. Рассуждения соблазнительно просты — так и тянет сразу сказать, что это скопление галактик дает нам неоспоримое доказательство существования темной материи.

На самом деле все наши рассуждения очень упрощены. Я писал, что газ в скоплении галактик сталкивается и останавливается в области столкновения. Но скопления галактик состоят не только из газа, а как минимум еще и из бесчисленных галактик с миллиардами звезд. Какова вероятность того, что при этом столкнутся две галактики? А если они столкнутся, то что? Мы уже поняли, какое расстояние между звездами в нашей галактике: кокос в Осло, грецкий орех в Сахаре и так далее. Следовательно, при столкновении галактик звезды расположатся на безопасном расстоянии друг от друга. На звезды и галактики действительно будут взаимно влиять гравитационные силы, и поэтому они начнут двигаться в новых направлениях и с новыми скоростями, однако никакого космического фейерверка не произойдет.

Возможно, галактики и звезды из двух скоплений проходят друг через друга и создают синие поля. Тогда при чем здесь темная материя? К сожалению, не все так просто. Если принять во внимание, что скопления галактик состоят из огромного количества звезд, сложно толковать изображение Пули без темной материи.

Но все же стоит помнить, что скопление галактик Пуля, несмотря на столь умно расположенные розовые и синие точки, не предоставляет нам никакого окончательного и достоверного доказательства существования темной материи. Ведь, как уже говорилось ранее, чтобы утверждать существование огромного количества необычной темной материи, нужно необычайно надежное доказательство. Недостаточно просто посмотреть на одно или парочку столкновений галактик: темную материю, скорее, стоит искать во множестве мест и при помощи множества наблюдательных техник. И уже впоследствии исключить возможность всех альтернативных объяснений. Например, саму темную материю мы не видим, а только ее воздействие на силу тяжести. Может, ошибается наш закон всемирного тяготения? И если темная материя существует, не должен ли он ее объяснять? Темная материя тоже состоит из маленьких частиц, как и все известные нам материи? И что же это тогда за частицы?

Вопросов много, а Пуля — лишь маленький кусочек пазла о темной материи, к которому на протяжении этой книги мы добавим еще немало других кусков.

Осознав, насколько необъяснимо огромное количество темной материи находится во Вселенной, начинаешь задумываться: а что мы вообще знаем про обычную, объяснимую материю? Как можно с уверенностью говорить о веществе, из которого состоят звезды и галактики, если они находятся за пределами нашего осязания?

Старый кофе и французская философия

Утро. Вы сонно исследуете кухню в поисках завтрака. Но странный предмет на кухонном столе между хлебными крошками и недочитанными газетами привлекает ваш взгляд — белая чашка. В ней можно различить мистическую жидкую черную субстанцию. «Кофе!» — радуетесь вы. Но в голову вам тут же закрадываются сомнения. Как узнать наверняка, что перед вами именно кофе? А если это соевый соус? Или старое машинное масло? Конечно, можно понюхать или попробовать субстанцию, но опыт подсказывает, что ваши ощущения в такую рань могут и подвести. Поэтому вы скорее отправите чашку своей подруге-химику и попросите провести тщательный анализ темной жидкости.

В лаборатории подруга-химик серьезно подходит к вашей просьбе. Она измеряет pH, температуру плавления и кипения, кристаллизирует, хроматографирует, делает масс-спектрометрический анализ или что там еще делают химики. Вывод однозначен: в чашке кофе арабика темной обжарки с чайной ложкой сахара.

Выяснить, из какого вещества сделаны различные предметы, вполне реально. Однако предварительным условием для анализа кофе было то, что кофейная чашка здесь, на Земле, доступна для измерений и анализа. А как насчет предметов, находящихся в космосе, далеко за пределами досягаемости даже самого амбициозного аэрокосмического сценария? Как тогда понять, из чего состоят объекты?

Этот вопрос уже поднимался французским философом Огюстом Контом (1798–1857) в 1835 году. В своем главном научном труде, «Курсе позитивной философии», он писал о звездах: «Мы осознаем возможность определения их строения, размеров, расстояний и движений; но мы никогда не сможем каким бы то ни было образом исследовать их химический состав…» [6]

И, будучи философом, он не стремился к потенциальным техническим трудностям при определении химии небесных тел: он считал эту задачу принципиально невыполнимой [7]. Однако еще в 1814 году, до того, как Конт записал эти слова, немецкий оптик Йозеф Фраунгофер (1787–1826) разработал первый точный спектроскоп, инструмент, ко