Фриц Цвикки и темная материя
Первым в истории на возможность существования темной материи указал Фриц Цвикки. Его наиболее значимым вкладом в науку считается открытие скрытой массы – или, скорее, разработка теории скрытой массы. Он занялся этим вопросом в 1930-е годы. Теория заключается в том, что большую часть Вселенной занимает так называемая скрытая масса – невидимое вещество, которое проявляет себя при взаимодействии с видимым. Масса этого вещества во много раз превышает массу всех наблюдаемых объектов. За пределами видимых границ галактики находится несветящаяся, темная материя. К скрытой массе могут относиться черные дыры и коричневые карлики (газовые тела с массой, промежуточной между массами звезд и планет). Можно сказать, что идея скрытой массы витала в астрономических кругах с тех самых пор, как астрономы узнали о существовании галактик.
В настоящее время ученые всего мира признают, что в космологии, которая является относительно новой наукой, открытия проходят два этапа. На первом дается ответ на вопрос, существует ли «это». На втором ставится вопрос: что это такое? В случае с темной материей большинство ученых считают, что ответ на первый вопрос получен. Да, темная материя существует.
Фриц Цвикки, американский астроном и астрофизик швейцарского происхождения (1898–1974)
В 1932 году Цвикки занялся изучением скопления Волосы Вероники. Исследуя движение галактик, вращавшихся вокруг центра этого скопления, Цвикки вычислил, сколько материи требуется, чтобы поддерживать гравитационную связь между галактиками. Проанализировав их излучение и рассчитав общее количество имевшихся звезд, он обнаружил, что большей части массы не хватало. Цвикки пришел к выводу, что плотность массы должна быть в 400 раз больше, чем предполагала светимость. В дальнейшем астрономы снизили эту цифру до 50 раз, но все равно она представлялась огромной.
В статье в одном швейцарском журнале в 1933 году Цвикки писал, что если астрономы не смогут найти объяснение этого несоответствия, то можно прийти к какому-то поразительному выводу, например, что количество светящейся материи в Волосах Вероники ничтожно в сравнении с каким-то типом dunkle Materie – или темной материи. И это – первое использование термина «темная материя» в научной литературе. Правда, годом раньше этот термин был предложен голландским астрономом Яном Оортом, но использовал он его для изложения ошибочной гипотезы. Поэтому отцом темной материи считается Цвикки.
Спустя три года к аналогичным выводам, независимо от Цвикки, пришел другой американский астроном, Синклер Смит, проживавший в Калифорнии. Он занимался изучением скопления Девы, обработал данные его наблюдения. Смит опубликовал соответствующую статью в «Астрофизическом журнале», рассказав об огромной массе межгалактической материи внутри скопления. Масса этого скопления, определенная исходя из скорости движения галактик (так называемая динамическая масса), в 50 раз превышала массу, вычисленную с помощью оценки светимости звезд. В тот же год этой проблемой заинтересовался Эдвин Хаббл и в своей книге «Царство туманностей» написал, что это несоответствие кажется реальным и важным. В 1937 году Фриц Цвикки написал о необходимости дальнейшего глубокого изучения проблемы.
Прогресс в науке весьма специфичен. Люди занимаются вопросами, которые с наибольшей вероятностью дадут какой-то конкретный результат, помогут прийти к каким-то выводам – или теми проблемами, решение которых просто необходимо по каким-то причинам, будь то экономическим, политическим или социальным. В 1930-е годы прошлого века, в особенности в конце десятилетия, когда началась Вторая мировая война, движения плохо понимаемых большинством людей объектов, галактик в возможно случайных скоплениях мало кого волновало. Например, Джим Пиблс считал проблему скрытой массы одной из тем, на которые ученые болтают во время обеденного перерыва или за чашкой кофе – как и о том, что было до возникновения Вселенной.
Космология приобрела статус настоящей науки в конце 1960-х годов, и о проблеме скрытой массы внезапно вспомнили. Более того, ее требовалось решать! Если рассматривать эволюцию Вселенной в больших масштабах, как, например, это делал Пиблс, то никак нельзя проигнорировать поведение крупнейших структур Вселенной, скоплений галактик. Считается, что Джим Пиблс первым использовал термин «темная материя» на английском языке – и первым после Цвикки. Это было сделано в одной из его статей в 1969 году. Пиблс писал о том, что плотность материи в галактиках, возможно, увеличивается за счет темной материи. Но это скорее было исключением из правил.
То, что Пиблс видел в скоплениях галактик, он стал видеть и в отдельных галактиках. А что если скрытая масса не является проблемой только одних скоплений галактик? А если это проблема и отдельных галактик? И одна и та же проблема?
Коллега по Принстонскому университету астроном Иеремия Острикер как-то заглянул к Пиблсу и признался, что он не понимает кое-что в поведении Млечного Пути. Острикер занимался вращающимися небесными телами еще со времени учебы в Кембридже. Он написал диссертацию о вращающихся звездах. Уже в XIX веке ученые знали, что если вращать изначально сферическую каплю жидкости, она станет сплющенной у полюсов, а в конце концов сожмется в форме бруска или стержня. Острикер смотрел на звезды как на капли жидкости, то есть сжимаемые объекты, и пришел к выводу, что со временем они должны сплющиваться у полюсов.
Острикер сказал Пиблсу, что посмотрел на Млечный Путь и на другие спиральные галактики, о тысячах которых астрономы уже собрали сведения, как на плоский диск. Острикер считал, что Млечный Путь уже должен был сжаться или распасться на две галактики после первого круга. Тем не менее ко времени разговора двух ученых Млечный Путь совершил уже, по крайней мере, несколько дюжин вращений. Острикер решил, что здесь что-то не так. Пиблс согласился, построил модель Млечного Пути и запустил вращение. Модель, созданная на основании имевшейся информации, показала, что катастрофа случилась бы во время первого круга продолжительностью 200 миллионов лет. Что-то обеспечивало стабильность, например, какая-то окружающая масса, которая удерживала Млечный Путь гравитационно. Они ничего такого не видели в телескопы – по крайней мере, тогда. Но что-то там должно было быть! И это что-то Пиблсу и Острикеру следовало встроить в программу.
Они решили окружить видимую галактику этой массой и посмотреть, что произойдет. Если вращающийся диск стабилизируется, они станут сокращать гало до тех пор, пока не случится дестабилизация. Если же они запустят диск и он не стабилизируется, они станут расширять гало. Ученые использовали все больший гало, и система стабилизировалась только когда масса невидимого гало стала примерно соответствовать видимым частям галактики. В результате они пришли к выводу, что массы гало нашей и других спиральных галактик, находящихся вне наблюдаемых дисков, могут быть невероятно большими. И написали об этом совместную статью.
На следующий год Пиблс и Острикер занялись анализом наблюдений, уже сделанных астрономами, исследовали данные по отдельным галактикам, потом данные по бинарным галактикам – парам галактик, где каждая тесно гравитационно взаимодействует с другой. В итоге ученые сделали простое заявление: у них еть основания считать, что массы обычных галактик могут быть недооценены, причем раз в десять, а то и больше.
