Сказка о тёмной материи тёмного космоса
Ник. Горькавый
В 1934 году Фриц Цвикки совершил важнейшее открытие — объяснил механизм взрыва сверхновых звёзд.
Астрофизик и писатель, популяризатор науки и научной фантастики Николай Николаевич Горькавый задумал новую книгу научных сказок. Предлагаем подписчикам журнала стать их первыми читателями.
— Вы заметили, что в большом городе, каждый вечер утопающем в электрических огнях, звёзд на небе почти не видно? — спросила принцесса Дзинтара у Галатеи и Андрея, которые приготовились слушать очередную вечернюю сказку.
— Конечно, заметили, — ответила Галатея.
— А вот в степи, пустыне или у моря — совсем другое дело, — подхватил Андрей. — Там звёздная бездна открывается до самого горизонта.
— Верно. Вот и один из двух главных героев сегодняшней сказки родился у моря. С самого детства он был очарован звёздами и стал астрономом. Его звали Фриц Цвикки. Мальчик рос на берегу Чёрного моря в Болгарии. Мать его была чешкой, отец — швейцарским бизнесменом. В шесть лет его отправили учиться коммерческому делу в Швейцарию, к бабушке и дедушке. Но Фриц был увлечён звёздами. Он любовался ими и над Чёрным морем, и над швейцарскими заснеженными вершинами. Фриц стал изучать не коммерцию, а физику и математику — сначала в школе, потом в Цюрихском политехническом институте, кстати, в том самом, где учился Альберт Эйнштейн.
В 1925 году Фриц Цвикки получил стипендию и уехал в Америку, в Калифорнию, где располагались Калифорнийский технологический университет и крупнейшие Маунт-Вилсоновская и Паломарская обсерватории.
В следующие двенадцать лет молодой учёный совершил столько открытий, что вошёл в ряд величайших астрономов ХХ века. Почти в каждом исследовании он настолько опережал своё время, что коллеги не сразу понимали, о чём идёт речь.
В 1934 году Фриц Цвикки совершил важнейшее открытие — объяснил механизм взрыва сверхновых звёзд*. Он и его соавтор, немецкий астроном Вальтер Бааде, предположили, что ядро массивной звезды сжимается в плотный нейтронный шар размером всего лишь с десяток километров. При этом выделяется так много энергии, что внешняя оболочка звезды разлетается в разные стороны, выпуская наружу мощное излучение, видимое на расстоянии в миллиарды световых лет! А на месте взрыва остаётся маленькая нейтронная звезда. Спустя 33 года предсказание Цвикки и Бааде о существовании нейтронных звёзд смогла подтвердить Джоселин Белл (см. «Наука и жизнь» № 8, 2014 г., статья «Сказка про юную Джоселин Белл, пульсары и телеграмму от зелёных человечков» — Прим. ред.), открывшая в 1967 году пульсары — нейтронные звёзды с сильным магнитным полем.
Фриц Цвикки установил своеобразный рекорд: он нашёл в небе 129 сверхновых звёзд (кстати, и название «сверхновые» тоже придумал он). К концу ХХ века телескопы, снабжённые компьютерами, довели число открытых сверхновых до многих тысяч. Американский физик Кип Торн назвал статью Цвикки—Бааде о сверхновых, нейтронных звёздах и космических лучах «одним из самых пророческих документов в истории физики и астрономии».
В 1937 году Цвикки высказал идею о гравитационном линзировании на скоплениях галактик.
— А что это такое? — спросила Галатея.
— Эйнштейн предсказал, что свет звезды искривляется в гравитационном поле Солнца. Астрономы стали интересоваться: можно ли заметить искривление звёздного света в поле другой звезды? Расчёты показали, что это очень маловероятно из-за «маленького» видимого размера звёзд. Цвикки, зная, что скопления галактик имеют несравнимо большие размеры, предположил, что свет далёких объектов может искривляться на такого рода скоплениях. Его предположение получило подтверждение в 1979 году. Но, увы, Цвикки умер за несколько лет до того, как это произошло. Сейчас гравитационное линзирование в скоплениях галактик — один из наиболее мощных методов исследования Вселенной.
Но самым грандиозным, интригующим открытием Цвикки стало доказательство существования тёмной материи. В 1933 году он опубликовал исследование скоростей галактик в звёздном скоплении, которое носит название Волосы Вероники (второе название — скопление Кома). Зная скорости движения отдельных галактик, он вычислил массу всего скопления.
— А как он это сделал? — спросил неугомонный Андрей.
— Любой мальчик, вроде тебя, бросая камень вверх (или лучше в колодец, чтобы случайно ни в кого не попасть), может вычислить массу Земли, измерив время падения камня.
Галатея улыбнулась:
— Я не знаю ни одного мальчишку, который бы замерял время полёта камня. Они их просто бросают — и всё.
— Поэтому-то мало кто из них становятся учёными. Вычислив общую массу галактического скопления Комы, Цвикки оценил её вторым способом — просто подсчитал количество галактик в скоплении и умножил его на типичную массу галактики. Оказалось, что суммарная масса видимых галактик в сотни раз меньше, чем масса скопления, найденная из вычислений, основанных на скоростях движения галактик. Это означает, что основная масса вещества в скоплении Волосы Вероники остаётся невидимой для наблюдателя. Но что собой представляет эта тёмная материя? До Цвикки такие астрономы, как Джеймс Джинс, Якобус Каптейн и Ян Оорт, изу-
чали возможность наличия в нашей Галактике тёмной материи. Но только после открытий Цвикки существование невидимой составляющей космоса можно было считать доказанным.
Подтвердить существование феномена тёмной материи и привлечь к нему всеобщее внимание смогла вторая героиня нашей сказки — маленькая американская девочка, дочь иммигрантов из Литвы и Молдовы Вера Рубин, которой в 1933 году было всего пять лет. С самого раннего детства она умела задавать вопросы, которые ставили взрослых в тупик. Например, как-то раз она ехала с родителями на автомобиле, смотрела в окно и вдруг сказала:
— Почему Луна летит туда же, куда мы едем? Деревья и холмы уплывают назад, а Луна движется вместе с нами. Как она узнала, что мы едем домой?
Вера получила удовольствие от того, что смогла задать такой отличный вопрос, хотя и не запомнила, что ответили ей родители. После этого случая она решила, что вопросы всегда интереснее ответов и что ей повезло — она живёт в любопытнейшем из миров.
— Мы тоже в нём живём и тоже знаем, какой он интересный! — вставила Галатея.
— Когда повзрослевшей десятилетней Вере не спалось, — продолжала Дзинтара, — она следила в окошко своей крохотной спальни за движением звёзд по Северному небосклону. Они водили хоровод вокруг Полярной звезды, а та неподвижно висела на небе как приклеенная, чувствуя себя центром вращения мира. Девочка смотрела на движущиеся звёзды и мечтала узнать об их тайнах побольше.
Детские мечты сбываются нечасто, но в данном случае это произошло. Вера выросла и стала изучать движение звёзд, правда, не вокруг Полярной звезды (ведь это всего лишь кажущееся движение, вызванное вращением Земли вокруг своей оси), а вокруг центра галактик. Она стала блестящим расшифровщиком звёздных спектров. В середине 1960-х годов Веру пригласили наблюдать за звёздами на телескопах Паломарской обсерватории. Она стала первой женщиной, удостоенной этой чести.
— Как это первой? — не поняла Галатея.
— До 70-х годов ХХ века наблюдения на крупных телескопах в Калифорнии, да и в других обсерваториях, вели только мужчины. Разрушить эту возмутительную традицию смогла Вера. Вместе со своим соавтором астрономом Кентом Фордом она исследовала движение звёзд вокруг галактических центров. Тема была, безусловно, важная, но не сулила каких-либо больших открытий. Результаты, полученные Верой Рубин, оказались сенсационными: звёзды, вместо того чтобы двигаться согласно закону Кеплера, то есть уменьшать свою скорость с увеличением расстояния до галактического центра, двигались примерно с одинаковой скоростью на самых разных расстояниях от него. Словно каждую галактику обнимало массивное облако тёмной материи, которое весило гораздо больше звёздного диска галактик и заставляло звёзды двигаться гораздо быстрее, чем им полагалось исходя из массы звёздного диска.
Когда учёные убедились в справедливости результатов Рубин—Форда, начались интенсивные наблюдения и теоретические исследования природы тёмной материи. Логично было бы предположить, что астрономы пропустили в космосе какие-то невидимые объекты, например такие звёзды, как коричневые карлики — размером с Юпитер, но массой в десятки раз больше, чем у него. Действительно, совместными усилиями астрономов с помощью космических телескопов было открыто огромное количество таких звёзд. Они оказались самой многочисленной звёздной составляющей Млечного Пути. Но даже их массы было недостаточно для увеличения массы нашей Галактики до нужных размеров. К этому моменту учёные уже обнаружили и межгалактические холодные облака, температурой около 0 Кельвина, состоящие из водорода и гелия. Они были прозрачны для света звёзд; лишь спектральные линии, которые «выгрызал» межгалактический водород в звёздных спектрах, выдавали их присутствие. Масса этих облаков в скоплениях галактик оказалась в десять раз больше, чем масса всех звёзд. Но и этого было недостаточно, чтобы объяснить результат, полученный Цвикки.
— Может быть, тёмная материя состоит из крошечных, размером всего в несколько километров, но очень массивных объектов, таких как нейтронные звёзды и чёрные дыры звёздных масс? — спросил со знанием дела Андрей.
— Астрономы разработали специальную наблюдательную программу для поиска таких объектов, — пояснила Дзинтара, одобрительно кивнув головой, — но после многолетних наблюдений удалось установить, что таких объектов звёздных масс слишком мало для объяснения загадки тёмной материи.
— Тогда, может быть, тёмная материя состоит из элементарных частиц, которых очень-очень много? — тоже решилась внести своё предположение Галатея.
— Да, верно. Наиболее перспективным кандидатом на роль тёмной материи оказались нейтрино — крошечные частицы, появление которых предсказал в 1930 году швейцарский физик-теоретик Вольфганг Паули, а открыли их четверть века спустя. Нейтрино вокруг нас очень много, например, через человеческий глаз каждую секунду пролетают сотни миллиардов нейтрино, рождённых на Солнце…
— Кыш, кыш! — замахала руками Галатея, как бы отгоняя вездесущие нейтрино. Дзинтара и Андрей засмеялись вместе с ней.
— Они так слабо взаимодействуют с веществом, — продолжила Дзинтара, — что проходят сквозь нашу Землю и сквозь человека, как свет сквозь прозрачное стекло. Но масса нейтрино оказалась такой крошечной, что существенно повлиять на массу Вселенной элементарная частица оказалась не в состоянии. Более того, когда учёные попробовали рассчитать, какими скоростями должны обладать частицы тёмной материи, чтобы они могли объяснить наблюдаемое вращение и структуру галактики, то оказалось, что частицы должны двигаться медленно, то есть тёмная материя должна быть «холодной». «Горячие» нейтрино, которые движутся почти со скоростью света, на роль такой «холодной» материи никак не годились.
Физики назвали гипотетические неуловимые частицы тёмной материи Слабо Взаимодействующими Массивными Частицами (СВМЧ) и стали искать их повсюду. Они проводили эксперименты на Большом адронном коллайдере в Европе, запускали детекторы частиц на воздушных шарах над Антарктидой. В разных странах организовали около десятка подземных лабораторий, которые спускали многотонные детекторы частиц в шахты на глубины до двух километров в надежде зарегистрировать там СВМЧ. Но ничего не получалось. Тогда детекторы стали запускать в космос — как на отдельных спутниках, так и в качестве приборов на Международной космической станции, где для поиска частиц тёмной материи установлено бочкообразное устройство стоимостью два миллиарда долларов.
— Ну и поймала «бочка» эти частицы? — нетерпеливо спросила Галатея.
— Нет, — покачала головой Дзинтара, — СВМЧ всё ещё остаются неуловимыми. В стремлении поймать их возникла идея, собравшая немало сторонников, — изменить законы гравитации, которые действуют в масштабах Галактики и всей Вселенной. Это позволит обойтись без тёмной материи, но цена такого решения велика: придётся отказаться от проверенной и красивой теории Эйнштейна—Ньютона.
В 2015 году в гравитационно-волновой обсерватории в Хэнфорде (штат Вашингтон, США) в рамках проекта ЛИГО фактор гравитационных волн поймал первую в истории гравитационную волну от слияния двух чёрных дыр массой в 29 и 36 масс Солнца. Результат поразил учёных: оказалось, что в космосе существует много чёрных дыр гораздо более тяжёлых, чем обычные дыры звёздных масс! Сразу возникло предположение, что тёмная материя — это большое количество чёрных дыр в десятки масс Солнца. Но откуда взялись такие массивные чёрные дыры, ведь обычные модели звёздной эволюции их не предсказывают? Появилась смелая гипотеза, что чёрные дыры пришли к нам из предыдущего цикла Вселенной, потому что они — единственные макроскопические объекты, которые могут пережить коллапс мира и, пройдя через огненную фазу максимально сжатой Вселенной, попасть в следующий цикл её жизни.
— Значит, тёмная материя, которой, как ты сказала, в пять-шесть раз больше, чем обычного газа и звёзд, всё ещё остаётся загадкой, которую предстоит решить учёным будущего? — попытался уточнить Андрей.
— Да. Чёрные ли это дыры? Элементарные ли это частицы? Несомненно, к середине XXI века загадка будет решена.
Вера Рубин была независимым исследователем. Почти всю жизнь она проработала в небольшом частном институте Карнеги, расположенном в парковой зоне американской столицы. Её работы часто встречали непонимание в астрономическом сообществе. Но в конце ХХ века тёмная материя, которую в 1933 году Фриц Цвикки нашёл в скоплениях галактик, а Вера Рубин и Кент Форд в 1970-х обнаружили внутри отдельных галактик, стала областью самых активных исследований. В начале XXI века ею занимались уже тысячи учёных. Это удивительно, но ни Фриц Цвикки, ни Вера Рубин не получили Нобелевских премий, хотя за работы по этой теме их вручали четыре раза другим учёным.
Вера Рубин не только разгадывала космические загадки, но и размышляла над проблемами будущего: «Какие задачи будут решать астрономы в дальнейшем? Какими вопросами будут задаваться астрономы Вселенной через сто лет, через тысячу лет? Каков возраст Вселенной? Какова скорость расширения Вселенной? Какова масса Вселенной? Есть ли у ближайших звёзд планеты, на которых зародилась жизнь и разум? Достаточно ли они близки к нам, чтобы мы могли установить с ними связь в обозримом времени… Есть ещё проблемы, о которых мы знаем так мало, что с трудом можем сформулировать нужные вопросы. Вот очень приблизительный их список: существуют ли другие вселенные, будем ли мы когда-нибудь общаться с ними, как изменится наше представление о Вселенной при обнаружении гравитонов? Когда мы вглядываемся во Вселенную, мы смотрим в наше прошлое, но наши “глаза” слабы, и мы ещё не можем проникнуть взглядом на большие расстояния. Загадки края Вселенной превосходят наше понимание. Как колумбы или викинги, мы заглянули в новый мир и увидели, что он загадочнее и сложнее, чем мы себе представляли. Самые большие загадки Вселенной остаются нерешёнными. Они станут приключениями для учёных будущего. Мне это нравится».
Обращаясь к молодёжи, Вера Рубин сказала: «Для тех из вас, кто хочет быть учёным, у меня есть один совет. Не сдавайтесь! Каждый из вас должен верить в то, что вы можете добиться успеха. Сегодня может показаться невероятным, но среди вас нет никого, кто не мог бы внести важный, значительный вклад в мир науки. Наука ревнива, агрессивна, требовательна. Но она также великолепна, вдохновляет и окрыляет. Каждый из вас может изменить мир, потому что вы состоите из звёздного вещества и вы связаны со Вселенной».
Вальтер Бааде (1893—1960) — немецкий астроном, работавший в 1931—1958 годах в США. Вместе с Ф. Цвикки определил сверхновые звёзды как новую категорию астрономических объектов и предсказал появление нейтронных звёзд на месте взрыва сверхновых. Открыл 10 астероидов. В его честь названы астероид номер 1501 и лунный кратер.
Джоселин Белл (р. 1943) — британский астроном. В 1967 году, будучи юной аспиранткой, открыла пульсары. Награждена Королевской медалью и другими научными наградами.
Вера Рубин (1928—2016) — американский астрофизик. Исследуя скорости вращения галактик, она установила, что звёзды в галактиках, включая Млечный Путь, движутся быстрее, чем позволяет притяжение видимой материи, словно в галактиках содержится большое количество невидимого вещества. Получила множество наград за свои работы, включая золотую медаль Королевского астрономического общества и премию Грубера по космологии.
Кип Торн (р. 1940) — американский физик-гравитационист, соавтор классической монографии по теории Эйнштейна и космологии. Один из лидеров проекта ЛИГО, в результате осуществления которого открыты гравитационные волны. Лауреат премий Грубера, Шао, Харвея и Кавли.
Фриц Цвикки (1898—1974) — швейцарский астроном, родившийся в Варне (Болгария) и почти всю жизнь проработавший в Калифорнии (США). За работы в области разработки реактивных двигателей в 1949 году получил медаль Свободы от американского президента Трумэна. За выдающийся вклад в астрономию и космологию в 1972 году награждён золотой медалью Королевского астрономического общества. В честь Ф. Цвикки назван астероид номер 1803 и лунный кратер диаметром 150 км.
Закон Кеплера — закон, сформулированный Иоганном Кеплером (1571—1630), согласно которому скорость вращения планет падает с увеличением расстояния от Солнца. Увеличение расстояния в четыре раза вызывает уменьшение скорости вращения в два раза.
Комментарии к статье
* Сверхновая — звезда, резко изменившая свою яркость в результате взрыва с последующим сравнительно медленным затуханием вспышки.
Статьи по теме
- Сказка про юную Джоселин Белл, пульсары и телеграмму от зелёных человечков
- Сказка о том, как открыли Майкла Фарадея, который открыл электромагнитное поле
Читайте в любое время
