Виктор де Касто - Pro темную материю

Исаак Ньютон, великий английский физик, математик, механик и астроном (1643–1727)

Но после открытий Галилео Галилея люди все равно не могли отправиться на небеса и проверить, как именно происходит все то движение, которое он описал. Факты требовали объяснений.

В 1687 году два объяснения предложил Исаак Ньютон. Он решил, что раз Земля – это планета, то формулы, которые можно применить к земному пространству, должны относиться и к небесному. Ньютон строил свою работу на математике Кеплера, наблюдениях Галилея и его последователей-астрономов, и пришел к выводу, что движение в небесах можно объяснить не дюжинами сфер или эпициклов, а одним законом, который получил название закона всемирного тяготения.

В 1705 году друг и спонсор Ньютона Эдмонд Галлей (1656–1742), английский астроном и геофизик, применил закон Ньютона к уже имевшимся наблюдениям комет, которые подлетали близко к Земле в 1531, 1607 и 1682 годах. В результате он пришел к выводу, что это одна и та же комета (названная кометой Галлея), которая вернется в 1758 году, уже после его смерти. Так и случилось. Галлей доказал наличие периодичности в движении комет, вычислил орбиты более 20 комет, составил первый каталог звезд Южного неба.

Что мы получили к XVIII веку после всех этих открытий? Если взять закон всемирного тяготения Ньютона, применить его к наблюдениям, которые с помощью телескопов становятся все более и более точными, – получится упорядоченная и предсказуемая Вселенная, в целом не меняющаяся. Космос, который работает как часы.

От наблюдений Галилея, первого человека, использовавшего телескоп, нас отделяют четыре века. За это время «каталог» содержимого Вселенной постоянно пополнялся, обычно это происходило после каждого усовершенствования телескопа. Астрономы регулярно обнаруживали новые луны вокруг планет, новые планеты, новые звезды. К началу ХХ века астрономы определили, что все звезды, которые видны по ночам, будь то невооруженным глазом или с помощью самых современных телескопов, являются частью одного огромного скопления звезд, насчитывающего десятки миллионов, если не миллиардов звезд. Это скопление получило название Млечный Путь из-за своего внешнего вида. Огромное количество визуально неразличимых звезд выглядит как неярко светящаяся полоса, пересекающая небо. Существуют ли другие скопления звезд, с десятком миллионов единиц в каждом, за границами Млечного Пути? Астрономы предположили, что да, и назвали этот класс небесных объектов «островными вселенными».

Схема Вселенной Томаса Райта, 1750. Слева – схема строения Солнечной системы, справа – множественность звездных систем.

Вообще, появление концепции островных вселенных связывается в истории науки с именем английского астронома-самоучки Томаса Райта (1711–1786). Эта концепция с середины XVIII века и до первых десятилетий XX века была предметом острых дискуссий. Райт знал об открытии Галлеем собственных движений у трех ярких звезд и сделал первый правильный вывод о том, что звезды должны обращаться вокруг общего центра тяготения (по аналогии с планетами). Но центр звездной Вселенной Райт представлял как «божественный», то есть пытался объединить естественное со сверхъестественным. Он изобразил Вселенную как систему сферических областей вокруг ее не только физического центра тяготения, но одновременно и «священного престола», или даже «ока» бога. Рядом с ним располагается область «рая», далее материальная область смертных («бездна времени, или область смертных») и, наконец, царство «тьмы и отчаяния», то есть ад. Таким образом, материальную Вселенную Райт считал конечной. Близкие звезды видны по отдельности, а далекие, разбросанные беспорядочно по всему пространству, сливаются в беловатое сияние. Звезды беспорядочно раскиданы по всему небу, но заключены в некоем сферическом слое, окружающем некий центр.

В дальнейшем Райт предложил второй вариант решения космологической проблемы. В этом варианте звезды располагались вокруг «божественного центра» кольцом и как бы повторяли в больших масштабах систему Сатурна. Райт предполагал существование и других «божественных центров» со своими системами звезд вокруг них. Таким образом, он первым выдвинул идею островных вселенных в рамках гравитационной картины мира.

В наше время считается, что островные вселенные, или звездные острова, возникают постоянно со своими мириадами звезд. И островные вселенные – это места, где есть и темная материя, и темная энергия.

Большая комета над Прагой, ноябрь 1577

В 1774 году Шарль Мессье (1730–1817), французский астроном, член Парижской Академии наук, опубликовал первое издание каталога туманностей и звездных скоплений. Этот каталог содержал 45 объектов. Второе издание (1780) включало 68 объектов. В 1781 году вышло третье издание с 103 объектами. В современной версии каталога содержится 110 объектов, и 60 из них были открыты самим Мессье. Ученый считал, что туманности могут отвлечь астрономов, пытающихся увидеть кометы. Его самого называли «охотником за кометами» или «ловцом комет». Он единолично открыл 15 комет, 5 – одновременно с другими наблюдателями, а в целом наблюдал 44 кометы.

Вначале все объекты в каталоге назывались туманностями, потом астрономы определили, что часть из них – это скопления звезд. Другие оставались тайной, даже с усовершенствованием телескопов. Высказывались версии о том, что это облака газа, находящиеся в процессе превращения в звезды в нашей галактике. Другая версия – это скопления звезд, отдельные от присутствующих в нашей галактике, но не уступающие им по масштабности. Астрономическое сообщество раскололось на две части, пытаясь выбрать правильный ответ.

В 1923 году Эдвин Хаббл, о котором речь еще впереди, нашел ответ на вопрос с помощью эмпирических доказательств.

Эдвин Хаббл, выдающийся американский астроном (1889–1953)

До Хаббла большинство ученых считали Вселенную состоящей только из одной галактики Млечный Путь. Кроме туманности Андромеды, он наблюдал еще несколько спиральных галактик. Эти наблюдения, сделанные в 1922–1923 годах, убедительно подтвердили, что туманности находятся слишком далеко, чтобы являться частью Млечного Пути, и в действительности представляют собой отдельные галактики за пределами нашей собственной. Он использовал крупнейший телескоп в мире (на тот момент), диаметр которого составлял 2,5 метра. Телескоп находился в обсерватории Маунт-Вильсон в городе Пасадена, Калифорния. Хаббл сделал фотографию туманности Андромеды, которая в каталоге Мессье значилась под номером М31. Хабблу показалось, что он обнаружил новую звезду, поэтому на следующую ночь сделал еще одну фотографию. Затем сравнил эти снимки и другие фотографии туманности, сделанные в различные даты, и пришел к выводу, что никакой новой звезды он не открыл, а наблюдал вид меняющейся. Она пульсировала, становилась то более яркой, то более темной, причем эти изменения происходили с постоянными интервалами. То есть Хаббл идентифицировал класс пульсирующих переменных звезд (цефеид). Цефеиды – желтые яркие гиганты, в 103–105 раз ярче Солнца, блеск которых меняется с периодом 1–200 суток. Причиной переменности является пульсация внешних слоев, что приводит к изменению радиуса и температуры их фотосфер. В цикле пульсации звезда становится больше и холоднее или меньше и горячее. Одна из самых известных цефеид – Полярная звезда.