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

И хотя Рубин переименовала свою работу в более скромное «Вращение метагалактики», ее отклонили и Astrophysical Journal , и Astronomical Journal. Она припоминает, что возражения против ее работы отчасти заключались в убежденности астрономов в том, что представление о крупномасштабных движениях внутри галактик выглядело довольно смехотворно. Было сложно увязать подобные внутренние механизмы с общим расширением Вселенной. Несмотря на неудачу, она переехала в Джорджтаунский университет и продолжила свой дипломный проект под руководством одного из отцов-основателей модели Большого взрыва Георгия Гамова. Рубин забросила работу, посвященную крупномасштабным движениям и вращению, отчасти из-за того, что все это основывалось в первую очередь на наблюдениях. К тому моменту у нее было двое маленьких детей, и она не считала возможным браться за сложный проект, который бы требовал частых поездок в отдаленные обсерватории. Кроме того, после дискуссии, которую вызвала ее магистерская диссертация, Рубин знала, что ей не нравится быть в центре бури. Поэтому она решила пойти в совершенно другом направлении, попытавшись понять, есть ли какие-то закономерности в распределении галактик на небе.

К моменту, когда Рубин получила докторскую степень и работала в Институте Карнеги, она снова изучала движение звезд в галактиках, объединив силы с коллегой Кентом Фордом, который построил уникальный инструмент — самый чувствительный спектрограф того времени. Этот инструмент они использовали для изучения звездного света многих компонентов спиральных галактик. Рубин и Форд изучали свет плотных сердцевин и более разреженных окраин таких галактик. Звезды, которые формируют диск спиральной галактики, вращаются по орбите вокруг центра. Если диск хотя бы немного наклонен относительно нашего местоположения, его звезды с одной стороны движутся в нашем направлении, а с другой — в противоположном. Как было описано ранее, когда источник света перемещается в нашу сторону, мы видим понижение длины волны его света, что приводит к смещению в синий диапазон видимого спектра. Точно так же длина волны света от звезд, которые перемещаются в противоположном от нас направлении, изменяется в сторону красного диапазона спектра.

Это смещение длины световых (или звуковых) волн, известное как эффект Доплера, возникает из-за перемещения источника относительно наблюдателя. Рубин и Форд измерили сдвиги по Доплеру в рамках дисков нескольких спиральных галактик и с помощью этих данных рассчитали орбитальные скорости звезд в различных точках внутри таких галактик. Они начертили график скоростей звезд относительно расстояния до центра галактики. Это напоминает составленный Хабблом график движения галактик относительно расстояния от них до Земли, разве что Рубин и Форд сконцентрировались на движении звезд, которые удерживались внутри отдельных галактик за счет притяжения.

Итог их работы оказался весьма необычным и неожиданным. Чтобы понять, что в нем было такого странного, давайте сначала посмотрим на более близкий к нам участок космоса — на движение планет вокруг Солнца. В нашей Солнечной системе, где господствует притяжение Солнца, внутренние планеты перемещаются на своих орбитах быстрее, чем внешние. Чем дальше от Солнца с его самой высокой концентрацией массы в Солнечной системе, тем медленнее движется планета, которой требуется заметно больше времени на полный оборот. Это происходит из-за того, что воздействующая со стороны Солнца сила притяжения становится слабее при увеличении расстояния, поэтому внешние планеты испытывают на себе сильно уменьшенное притяжение. Например, сила притяжения в точке, которая располагается в два раза дальше от Солнца, слабее в четыре раза. И не только размер орбиты, но и замедленное движение увеличивает время, которое требуется планете для завершения одного круга. Меркурий, например, оборачивается вокруг Солнца за 88 земных суток, Сатурну потребуется 29 лет, чтобы совершить один полный оборот, а у Плутона на это уйдет примерно 250 лет. Рассматривая подобные взаимоотношения в спиральных галактиках, Рубин и Форд обнаружили нечто совершенно противоположное — скорости звезд, судя по всему, были тем выше, чем дальше от центра они располагались. Также похоже, что они в какой-то момент достигают пикового значения скорости, которая уже не меняется. Это стало крайне странным открытием, которое противоречило ожиданиям, если опираться на законы Ньютона, утверждавшие, что именно видимые звезды обеспечивают гравитацию. Существовало только одно возможное объяснение: на окраинах галактик присутствует значительное количество некой незримой массы, которая не излучает свет и, таким образом, не имеет отношения к гравитации, вычисленной на основании наблюдаемого звездного света. Фактически некоторый таинственный компонент, видимо, поддерживал движение звезд с одинаковой скоростью во внешних областях галактик. И снова значение отношения массы к свету было ключевым для данной интерпретации. Как мы ранее отметили, это число зависит от значения постоянной Хаббла, которая благодаря большему количеству данных и более точным измерениям была пересмотрена с момента первой гипотезы Цвикки относительно темной материи. Тем не менее обновленная информация все еще не отменяла потребность в темной материи. В конце концов данная идея заняла свое место.

В 1975 г. Мортон Робертс и Роберт Вайтхерст продолжили работу Рубин и Форда, измерив скорость газа во внешних частях галактик — районах, где звезды встречаются куда реже. Исследовав соотношение между расстоянием и скоростью газа за пределами участка с видимыми звездами, они обнаружили, что скорости остаются постоянными и по-прежнему присутствует воздействие потенциальной невидимой массы на окраине галактик {21} . Эти результаты, которые имели смысл только при наличии огромного количества невидимой массы, на конференциях и встречах были подвергнуты сомнению и восприняты со скептицизмом.

Среди астрономов разразились яростные дебаты и шли многочисленные дискуссии на тему распределения невидимой темной материи в данных галактиках. Несмотря на единогласие между Рубин, Фордом, Робертсом и Вайтхерстом по вопросу существования незримой материи, они все еще не никак не связывали свою работу с ранними трудами Цвикки и Смита на тему темной материи в Млечном Пути и галактике Андромеды. В итоге теория способствовала появлению взаимосвязей между наблюдениями.

В 1973 г. Джереми Острайкер и Джеймс Пиблс, молодые теоретики из Принстона, которые занимались близким теоретическим вопросом стабильности галактик и их звездных дисков, предположили, что темная материя могла бы играть важную роль в удержании галактик во Вселенной. Интересно заметить, что в своей работе они не ссылались ни на одну из работ, связанных с наблюдениями, и она действительно появилась как независимые теоретические расчеты, которые заканчиваются выводом о том, что «массы нашей Галактики и других спиральных галактик могут быть значительно больше их наблюдаемых дисков» {22} .