Приямвада Натараджан - Карта Вселенной [Главные идеи, которые объясняют устройство космоса]

Учитывая отсутствие соответствующих инструментов, гипотеза Цвикки не привлекала значительного внимания до конца 1960-х гг. В ту пору произошел новый всплеск интереса к его работе, а также имели место новые шаги астрономов Сьюра Рефсдаля, Рамеша Нараяна и Роджера Блэндфорда в предсказании отклонения света. Они показали, что при некоторых обстоятельствах эффекты линзирования могут принимать максимальное значение и, следовательно, их становится проще выявить. Они обнаружили, что, когда галактики на заднем фоне идеально выстраиваются в линию позади массивных скоплений, излучаемый ими свет в отдельных случаях значительно растягивается в виде длинных дуг — настолько, что иногда они разбиваются на две части. При таком расщеплении светового луча получаются два увеличенных изображения одной и той же галактики, расположенной на заднем фоне. В зависимости от расположения возможно и большее число копий виртуального изображения фоновой галактики. Например, на сделанном с помощью «Хаббла» снимке очень массивного скопления CL0024+16, которое играет роль линзы, одна и та же фоновая галактика видна в пяти местах! Нам известно, что это изображения одного объекта, а не просто астрономические двойники, так как мы измеряем их спектр, их уникальный химический отпечаток. Спектр всех пяти изображений абсолютно идентичен.

Другая примечательная черта подобных множественных изображений заключается в следующем: некоторые из них могут значительно растягиваться, так что обычная фоновая галактика овальной формы получит искаженную проекцию в виде многочисленных копий, часть из которых будут деформированы в достаточно вытянутые эллипсы или дуги. Получившиеся при сильном линзировании колоссальные дуги в соответствии с теоретическими прогнозами сегодня систематически встречаются на изображениях скоплений с высоким угловым разрешением. В случаях, когда расположение фоновой галактики и скопления не столь идеально, лучи света получают совсем небольшую кривизну, которая приводит к мягкому растягиванию — «слабому линзированию». Когда в 1987 г. астрономы Женевьева Сукай и Бернард Форт с помощью расположенного на Гавайях телескопа CFHT (Canada — France — Hawaii Telescope) заметили сильно вытянутую дугу в скоплении Abell 370, они знали, что, если ее спектр не соответствует спектру других копий той же галактики, они не смогут убедить кого-либо в том, что речь идет о реальном гравитационном линзировании. Изучив спектр и выяснив, что он идентичен спектру менее искривленных копий, ученые смогли доказать, что обнаружили гравитационное линзирование {14} . Усовершенствованная оптика телескопов в конце концов доказала правоту Цвикки.

С тех пор мощный космический телескоп «Хаббл» позволил обнаружить множество других случаев гравитационного линзирования галактик. Отслеживая траекторию световых лучей, мы сегодня можем воссоздать в подробностях распределение невидимой материи в скоплениях, которое является причиной отклонения световых потоков. Однако линзирующие скопления встречаются не так часто; большая часть ночного неба предстает перед нами в неискаженном виде и передает истинную форму галактик. Неискаженные формы становятся основой, позволяющей определить мощность линзирования под воздействием отдельных участков, усеянных скоплениями галактик. Мне приходилось заниматься нанесением на карту участков темной материи в скоплениях, которые производят подобные линзовые эффекты. При наличии данных о нескольких линзирующих скоплениях, которые были собраны с помощью «Хаббла», моя работа и работа многих других ученых в данной области позволила обнаружить, что темная материя воздействует на скопления как в большом, так и в малом масштабе. По сути именно скопление темной материи отвечает за упомянутые линзовые эффекты, так как масса видимых звезд в галактиках в рамках скоплений незначительна для создания наблюдаемых искажений такой силы. Создавая карты темной материи внутри скоплений, мы обнаруживаем, что она состоит из двух видов: гладкой и размытой или комковатой, что может быть связано с галактиками в скоплении, которые удерживаются вместе за счет гравитации.

Линзирование представляет собой повсеместное явление — в том смысле, что любая масса вызывает отклонение в траектории светового луча из-за выемок и желобов, которые масса отпечатывает на ткани пространства-времени. Чем массивнее линза, тем мощнее ее искривляющее воздействие и тем оно заметнее. Гравитационное линзирование предлагает уникальный и независимый инструмент для измерения важных свойств нашей Вселенной, и, как мы увидим в следующей главе, оно может даже оказаться полезным для исследования природы еще одного невидимого и таинственного ее компонента — темной энергии.

Было еще несколько неудачных попыток возврата к идее о темной материи, прежде чем ее стали воспринимать всерьез. В действительности регулярно выдвигались гипотезы о темной материи, которые затем игнорировались и отбраковывались, пока не появлялись новые наблюдения, нуждающиеся в данной теории в качестве обоснования. Удивительно, но большая часть таких попыток были независимыми и совершались без знания о предыдущей работе. Такое постоянное перерождение концепции темной материи, за которым следовали отрицание и забвение, типично для жизненного цикла крайне радикальных научных идей.

Следующая важная веха в нашей истории обязана своим появлением наблюдениям на меньших масштабах, на уровне отдельных галактик, которые к 1930-м гг. были изучены куда лучше, чем скопления, и, согласно наблюдениям, были более многочисленными во Вселенной. В 1940 г. авторитетный голландский астроном Ян Оорт после детального изучения спиральной галактики заявил, что «распределение массы в этой системе, судя по всему, не имеет почти никакого отношения к распределению ее света» {15} . И снова это было смелым утверждением, так как не имелось причин верить в существование каких-либо других объектов, помимо видимых звезд, в качестве составляющих элементов галактик. Соотношение массы и света Хаббла все еще не подвергалось сомнению.

Следующее возрождение идеи имело место в 1959 г. благодаря наблюдениям в ближнем к нам районе космоса, когда астрономы Франц Даниэль Кан и Лодевейк Волтьер вывели массу нашей Галактики и ее ближайшего соседа — галактики Андромеды. Они обнаружили, что, в отличие от любой другой галактики Вселенной, Андромеда движется в сторону Млечного Пути [15], и это, по их мнению, означало, что в дело вступает притяжение некой незримой массы. Так как можно было осуществить расчеты для всех видимых звезд, они заявили, что большая часть массы должна присутствовать в незримом виде. И снова они не вывели никакой взаимосвязи с ранее представленным утверждением Цвикки о точно таком же компоненте в скоплении галактик в созвездии Волосы Вероники. На самом деле Кан и Волтьер, судя по всему, были совершенно не в курсе предыдущих трудов Цвикки и Смита на тему невидимой массы в соседних скоплениях галактик, так как они не цитировали их статьи в своей работе {16} . Тем временем Цвикки упорно двигался вперед, мало-помалу занимаясь исследованием менее отдаленных скоплений галактик для того, чтобы проверить, действительно ли эти структуры находятся в равновесии, так как потребность в темной материи всецело зависела от данного утверждения. Несмотря на тщательную разработку этого направления, он, на первый взгляд, забросил свою идею о недостающей массе и поиски dunkle materie. Тем не менее астрономам понадобилось много времени, чтобы понять, что один и тот же темный невидимый компонент может объяснить механизмы, выявленные у объектов, которые относятся к разным физическим уровням, — скоплений и галактик. Через 30 с небольшим лет после самой первой гипотезы, которую выдвинул Цвикки в 1933 г., они начали открывать огромное количество темных компактных астрофизических объектов, а именно нейтронные звезды [16]и черные дыры, которые не излучают свет в отличие от звезд. Могут ли и галактики, и скопления содержать обилие таких объектов? Может быть, эти объекты и есть темная материя? С течением времени исследователи рассматривали данное предположение, но в итоге опровергли вариант, при котором упомянутые объекты могли бы являться темной материей.