Идея о том, что во Вселенной преобладает не обычная материя, а отдельный вид материи, не взаимодействующий с ней привычным образом, появилась почти столетие назад. Её не принимали многие астрономы и физики: свидетельств казалось недостаточно, а теоретические основания — неубедительными. Прорывные результаты Веры Рубин и Кента Форда, полученные благодаря новым приборам, а затем дальнейшая работа Рубин помогли вывести тёмную материю в центр космологических исследований.
Кому следует приписать её открытие? Фрицу Цвикки, который первым представил свидетельства в пользу невидимой массы и ввёл термин dunkle Materie — «тёмная материя»? Или Вере Рубин, чьи исследования вращения галактик стали важной частью доказательной базы? Ни одного из них нельзя считать единственным первооткрывателем. История тёмной материи показывает, как в науке складываются убедительные выводы.
Первые свидетельства: скопление Волос Вероники
К началу исследований Цвикки астрономия уже располагала мощными телескопами. Диаметр телескопов достигал 100 дюймов (2,54 метра), а телескоп диаметром 200 дюймов (5,1 метра), вдвое больший и собиравший в четыре раза больше света, находился в строительстве. Было известно, что спиральные и эллиптические туманности — это отдельные галактики со своими звёздами и материей, расположенные за пределами Млечного Пути. Учёные изучили свойства звёзд и связи между их яркостью, массой, цветом, температурой и ионизацией. Они также установили, что Вселенная расширяется, и определили темп расширения — величину, известную сегодня как постоянная Хаббла.
Цвикки изучал скопление Волос Вероники, расположенное примерно в 300 миллионах световых лет от нас. Сегодня в нём обнаружено более тысячи галактик. Оно крупнее, богаче и регулярнее, чем ближайшее скопление Девы, находящееся примерно в 50–60 миллионах световых лет. Многие галактики в скоплении Волос Вероники — большие и яркие.
Скопление Волос Вероники на составном снимке современных космических и наземных телескопов. Инфракрасные данные получены космическим телескопом «Спитцер», наземные — в рамках Слоановского цифрового обзора неба. В скоплении преобладают две гигантские эллиптические галактики; в нём также находятся более тысячи спиральных и эллиптических галактик. Эллиптические галактики без газа, с малым количеством молодых звёзд, особенно распространены ближе к центру скопления. Скорости галактик помогают оценить общую массу скопления.
Даже с доступными ему приборами Цвикки смог выделить десятки галактик скопления: яркие спиральные галактики встречались преимущественно на его окраинах, а гигантские эллиптические — ближе к центру. Красное смещение этих галактик было примерно одинаковым: всё скопление удалялось от нас вместе с расширяющейся Вселенной. Среднее красное смещение соответствовало скорости около 2% скорости света.
Цвикки измерял красное смещение отдельных галактик, а не только среднее значение. Многие двигались со скоростью, близкой к средней, но у других скорость была гораздо выше или ниже. Галактики словно стремительно роились внутри скопления. Чтобы такая система оставалась устойчивой, нужна была огромная масса, удерживающая их гравитацией. Наблюдения не показывали, что скопление разлетается, — значит, эта масса должна была присутствовать, даже если её нельзя было увидеть.
Измеренные скорости галактик в скоплении Волос Вероники позволяют оценить массу, необходимую, чтобы удерживать его гравитацией. Эти данные согласуются с выводом Цвикки: массы звёзд, газа, плазмы, пыли, чёрных дыр и других известных форм обычной материи недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемое.
Логика Цвикки была такой:
- Астрономы знают, как устроены звёзды.
- По свету галактик можно оценить массу звёзд в них и в скоплении в целом.
- Известны законы гравитации и расширения Вселенной.
- Среднее красное смещение скопления позволяет оценить его расстояние.
- Скорости галактик показывают, какая масса нужна, чтобы гравитация удерживала их вместе.
Сравнив массу, оценённую по свету звёзд, с массой, необходимой для гравитационного удержания скопления, Цвикки получил расхождение более чем в 400 раз. Даже если в расчётах была небольшая ошибка, она не могла объяснить столь большую разницу. Он заключил, что материи должно быть гораздо больше, чем видно, и назвал её dunkle Materie.
Почему выводы Цвикки встретили сомнения
Цвикки был одарённым астрономом, но также известен как человек, выступавший против общепринятых взглядов. Многие специалисты сомневались в его выводах. Причиной были не только научные разногласия: оставались крупные нерешённые вопросы о Вселенной.
Среди возражений были и такие:
- Неопределённость расстояния до скопления. Для далёкой галактики можно измерить красное смещение и видимую яркость, но расстояние приходится оценивать с помощью постоянной Хаббла. В то время её значение было настолько велико, что подразумевало возраст Вселенной около двух миллиардов лет — меньше половины возраста Земли. Если оценка постоянной Хаббла была ненадёжной, сомнения вызывало и расстояние до скопления.
- Звёзды не похожи на Солнце в среднем. Цвикки использовал отношение массы к светимости, характерное для Солнца. Но свет галактик в значительной мере дают горячие, голубые и массивные звёзды. С учётом их света масса должна была быть в несколько раз больше принятой Цвикки: реальное отношение массы к светимости оказалось примерно втрое выше использованного им.
- В скоплении могла находиться обычная, но невидимая материя. Движение галактик можно было попытаться объяснить не новым видом материи, а газом, пылью, чёрными дырами, тусклыми остатками звёзд или ионизованной плазмой. Такая материя могла находиться не в самих галактиках, а в пространстве между ними. Пока её количество было неизвестно, вывод о новом виде материи казался поспешным.
Астрономия ещё не располагала полноценными наблюдениями в разных диапазонах: инфракрасном, радио- и рентгеновском. Они позволяют обнаруживать обычную материю, невидимую в оптическом свете. Не было и метода гравитационного линзирования, который помогает определять общую массу массивных структур, например скоплений галактик.
На изображении скопления MACS J0717.5+3745 видны тысячи галактик в четырёх подскоплениях. Голубые контуры показывают распределение массы, выведенное из гравитационного линзирования фоновых объектов. Рентгеновские данные, не показанные на изображении, обнаруживают смещение между излучающим газом — индикатором обычной материи — и контурами общей массы, включающей тёмную материю. Столкновение скоплений происходило преимущественно вдоль луча зрения, что объясняет сложный вид системы.
Наблюдения показали, что первоначальное расхождение Цвикки примерно в 400 раз было завышено. Работа Вальтера Бааде помогла установить, что использовавшееся Цвикки значение постоянной Хаббла было слишком большим. Кроме того, он не учёл, что цефеиды, по которым оценивали расстояния до галактик, бывают двух принципиально разных типов. Пересмотр оценки темпа расширения привёл к более близким расстояниям до галактик и гораздо большему возрасту Вселенной после Большого взрыва.
По мере улучшения знаний о звёздах выяснилось, что их масса больше, чем предполагали. Часть их света приходится на ультрафиолетовый и инфракрасный диапазоны, поэтому в видимом свете удаётся заметить не все звёзды. Рентгеновские наблюдения галактик в скоплениях и газа между ними тоже выявили значительное количество обычной материи.
Оценка расхождения между массой, видимой в свете, и массой, требуемой гравитацией, уменьшалась:
- до 160 раз после поправки на ошибочное измерение постоянной Хаббла;
- до 50 раз после уточнения свойств звёзд и их излучения;
- менее чем до десяти раз после оценки количества газа и плазмы, в частности по рентгеновскому излучению скоплений.
Многие учёные продолжали предполагать, что неучтённые источники обычной материи позволят обойтись без тёмной материи. Но даже с учётом современных оценок расхождение сохраняется и составляет примерно шесть раз. Это ближе к единице — значению, которое соответствовало бы сценарию без тёмной материи, — чем исходная оценка Цвикки.
Вращение галактик и работа Веры Рубин
Несмотря на возражения, астрономические данные указывали на тёмную материю и другими способами. Если бы свет звёзд хорошо показывал распределение массы, звёзды и газ во внутренних областях галактик должны были бы двигаться быстрее, чем на окраинах. У спиральных галактик больше всего света исходит из центральной области, где сосредоточены звёзды; по мере удаления от центра плотность звёзд и яркость диска убывают.
Предполагалось, что масса сосредоточена там же, где и свет. Это было разумным допущением, но развитие наблюдений в рентгеновском, радио- и инфракрасном диапазонах, а также более точные измерения частей галактик и различий в их скоростях изменили представления астрономов.
- Радионаблюдения галактик показали, что газ вблизи центра движется не быстрее газа на большем расстоянии от него.
- Более точные измерения массы галактик в скоплениях уменьшили расхождение между оценками по свету и гравитации, но не устранили его.
- Соотношение гравитационной потенциальной энергии и скоростей звёзд в шаровых скоплениях и карликовых галактиках показало, что для объяснения этих малых систем тоже нужна невидимая масса.
Эти независимые наблюдения поддерживали смелую гипотезу Цвикки, хотя исследователи не всегда объединяли их в единую аргументацию.
Вера Рубин работает у телескопа диаметром 2,1 метра в Национальной обсерватории Китт-Пик; к телескопу прикреплён спектрограф Кента Форда. Рубин и Форд не получили Нобелевскую премию, хотя их вклад в астрономию и астрофизику считают достойным такой награды. После смерти Рубин получить её уже невозможно. Всего Нобелевскую премию по физике получили пять женщин.
Карьера Рубин развивалась на фоне споров о тёмной материи. Астрономам были известны работы Цвикки и неопределённость в оценках невидимой обычной материи, состоящей из протонов, нейтронов и электронов. Исследования нуклеосинтеза Большого взрыва указывали, что обычной материи слишком мало, чтобы объяснить всю энергию Вселенной. У некоторых галактик наблюдались загадочные кривые вращения, а рентгеновские наблюдения выявляли невидимую, но присутствующую обычную материю в скоплениях. Хорошо изученной стала и теорема вириала, связывающая потенциальную и кинетическую энергию гравитационно связанных объектов.
Вместе с коллегой Кентом Фордом Рубин использовала новые камеры с усилителем изображения. Полученные спектры позволяли с высокой точностью измерять разные участки одной галактики и наблюдать её тусклые внешние области — дальше от центра, чем удавалось прежде. Начав с галактики Андромеды и продолжив наблюдения примерно на десяти других спиральных галактиках, Рубин обнаружила, что кривые их вращения остаются относительно плоскими: скорость звёзд не снижается по мере удаления от центра в пределах, доступных наблюдениям.
Такого результата нельзя было ожидать, если бы массу галактик определяло только вещество, видимое по звёздному свету. В Солнечной системе более далёкие от Солнца планеты движутся по орбитам медленнее близких. Наблюдения спиральных галактик, напротив, показали, что скорость вращения на периферии не падает ожидаемым образом. Для объяснения этих кривых требовалась дополнительная масса.
Кривая вращения галактики Треугольника (M33). Пунктир показывает ожидаемое вращение галактики без тёмной материи — такой сценарий применим менее чем к 1% галактик. Наблюдения Рубин показали, что почти всем галактикам необходимо объяснение необычного, но устойчиво наблюдаемого поведения.
Работа Рубин была новаторской и одновременно вызывала споры. Данные были ясны, но их интерпретация — нет. Большинство специалистов не хотели вводить новый вид материи в и без того спорную картину Вселенной. Рубин занималась наблюдениями, а многие рецензенты по ненаучным причинам — от инерции до явной дискриминации женщин — требовали не включать в публикации интерпретацию результатов. Она продолжала представлять данные и предоставляла научному сообществу возможность оценить их значение.
Убедительность её результатов, наряду с данными в рентгеновском и радио-диапазонах, сведениями о нуклеосинтезе Большого взрыва и исследованиями крупномасштабной структуры Вселенной, постепенно склонила большинство астрономов к выводу о существовании тёмной материи. К этому выводу также привели наблюдения эллиптических галактик на разных расстояниях от центра, отдельных звёзд в карликовых галактиках и скоростей галактик, входящих в более крупные структуры. Измерения показали и то, что обычной материи в межгалактической среде недостаточно.
Изменения температуры реликтового излучения, измеряемые всё более точными спутниками, помогают выяснить, из чего состоит Вселенная и как она развивалась. Эти данные также указывают, что для объяснения наблюдений нужна тёмная материя.
Открытие, сделанное многими
Объём и качество астрономических данных значительно превзошли доступные исследователям во времена Рубин. Но несправедливо приписывать открытие тёмной материи одному человеку — даже первопроходцу с убедительными данными или учёному, чей вклад был достоин Нобелевской премии. И Цвикки, и Рубин сыграли важнейшую роль: их результаты помогли убедить астрономическое сообщество в том, что проблему нельзя игнорировать. Однако ни один из них не открыл тёмную материю в одиночку.
Рубин опиралась на доступные ей приборы и предшествующие исследования. На её работу и на развитие астрономии повлияли исследования Цвикки, ранние измерения вращения Андромеды, выполненные Хорасом Бэбкоком, работы Яана Эйнасто о теореме вириала и её применении в космологии, исследования Ивана Кинга о звёздных скоплениях и карликовых галактиках, а также работы Джима Пиблса о крупномасштабной структуре Вселенной. Убедительный вывод стал возможен благодаря объединению всех этих результатов и других свидетельств.
У тёмной материи нет единственного первооткрывателя: её существование признали благодаря совокупности астрономических данных. Новые наблюдения сделали эту совокупность свидетельств крайне убедительной. Даже жизнеспособные альтернативные объяснения должны включать дополнительное поле, свойства которого неотличимы от эффектов тёмной материи. Цвикки и Рубин не открыли её поодиночке, но помогли подготовить почву для современного понимания состава Вселенной.