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

В следующем году Острайкер, Пиблс и Амос Яхиль опубликовали работу на тему распределения массы в галактиках от центра к внешней части, которая убедила большую часть сообщества в реальности недостающей массы и, помимо этого, в том, что она играет важнейшую роль в удержании галактик. Их исследования показывают, что протяженное распределение невидимой материи, получившей теперь название гало темной материи, надежно удерживает звезды в галактиках. Острайкер, Пиблс и Яхиль сделали вывод о том, что на окраинах нашего Млечного Пути и других спиральных галактик присутствует значительная масса. Первоначально не все приняли идею о вездесущей темной материи, и некоторые критики утверждали, что другие факторы тоже могут удерживать галактики в стабильном состоянии. Допустим, «выпуклость» — избыток звезд во внутренней области. Притяжение такой выпуклости, как заявляли они, будет достаточным для скрепления галактик, и фактически наличие гало темной материи подавляло бы образование спиральных структур в галактиках {23} . Сегодня наблюдения предоставляют надежное обоснование выводов Острайкера, Пиблса и Яхиля, согласно которым невидимая масса не только простирается до внешних районов галактик, но и играет значительную роль во всей Вселенной.

Также астрономам понадобилось время, чтобы осознать, что недостающая масса, необходимая для объяснения механизмов движения в галактиках, — это та же самая недостающая материя, которая должна обосновывать движение галактик в скоплениях и производимое ими отклонение света. В 1961 г. советский астроном из Ереванской обсерватории Виктор Амбарцумян первым предположил существование связи между этими структурами, а именно что невидимая материя, наличие которой в скоплениях предполагал Цвикки, и ее аналог в спиральных галактиках, скорее всего, представляют собой одно и то же. Идею, связавшую удивительные наблюдения, признавать не спешили. Фактически первая конференция, целиком посвященная темной материи, состоялась в СССР в Таллине (Эстония) только в январе 1975 г. Тем не менее эта конференция была отмечена множеством оживленных дебатов не о наличии или отсутствии надежных наблюдений, а скорее на тему потенциальных кандидатов на роль темной материи, и среди них нашлось несколько правдоподобных вариантов: ионизированный газ, тусклые звезды и коллапсировавшие объекты, такие как нейтронные звезды и черные дыры. Наконец, обсуждение сосредоточилось на кандидатах, которые могли бы представлять собой темную материю в галактиках и скоплениях. Помимо очевидных — не излучавших свет, как, например, черные дыры, — участники конференции рассмотрели куда более экзотические предположения: возможно, невидимая материя состояла из частиц, которые фундаментально отличаются от частиц, входящих в состав обычной материи. Как только к концу 1970-х гг. ученые согласились, что вопросы темной материи в галактиках и скоплениях сводятся к одному и тому же — она вполне реальна, — стало ясно, что темная материя может играть значительную роль в галактиках любого типа во всей Вселенной. Теоретические расчеты процесса, в ходе которого масса во Вселенной скапливается и группируется, формируя структуры, подобные галактикам, предполагают, что частицам темной материи свойственно холодное состояние, иными словами, они характеризуются медленным и достаточно пассивным движением. Таким образом, мы постепенно признали существование невидимого малоподвижного, но вездесущего элемента — холодной темной материи {24} .

Опубликованная в 1984 г. в журнале Nature работа под редакцией Джорджа Блументаля, Сандры Фабер, Джоэла Примака и Мартина Риса задает рамки, в которых формируются галактики и скопления во Вселенной, где царствует холодная темная материя. Примерно в то же время благодаря рентгеновским исследованиям стало понятно, что в эллиптических галактиках также присутствует дефицит массы. Растущее число эмпирических доказательств отлично дополнило ранние числовые модели, в которых темная материя присутствовала в виде механизма, стимулирующего формирование всех конструктивных компонентов Вселенной — спиральных, эллиптических структур и скоплений. Но, понимая, на что способна темная материя, ученые не имели ни малейшего представления о том, чем же она все-таки является. Они рассматривали различные версии — от компактных объектов, как, например, черные дыры, коричневые карлики (звезды, которые не загорелись, имеющие массу, но не излучающие свет [17]) и белые карлики, до газа. В кастинге на эту роль участвовали даже нейтрино — призрачные частицы, которые едва ли взаимодействуют с большей частью материи. Впрочем, в 1983 г. компьютерные модели, разработанные для проверки теории о нейтрино в роли темной материи, не смогли воспроизвести наблюдаемые свойства галактик. Так, один за другим кандидаты на роль темной материи подвергались проверке и в конце концов отбрасывались в сторону. Несколько успешных вариантов пережили этот этап и все еще конкурируют друг с другом, но частица темной материи по-прежнему остается неуловимой. В обзорной статье для Science , написанной в 1983 г., Рубин, вспоминая о своей работе, посвященной кривым вращения спиральных галактик, отметила: «Астрономы могут относиться к своим задачам с толикой веселья, признавая, что они занимаются только 5–10 % Вселенной, которые излучают свет» {25} . Или темная материя и правда состоит из экзовещества, не похожего на обычную материю, или астрономы должны пересмотреть ньютоновские законы движения. Непоколебимая вера в то, что законы Ньютона распространяются на отдельные галактики, создала условия для гипотезы темной материи и, следовательно, позволила ей играть более заметную роль во Вселенной. Но если бы астрономы оспорили законы Ньютона? Что, если бы в случае темной материи они просто заявили, что классические законы гравитации не обязаны распространяться на огромные космические расстояния? В конце концов, уже был прецедент — Эйнштейн опроверг выводы Ньютона, когда речь зашла о природе гравитации.

Не так легко отбросить целые теории. Новые наблюдения, которые не умещаются в рамки существующей парадигмы, чаще всего ведут к изменению мировоззрения, но не меняют его радикальным образом. Так действует «нормальная наука», как указал в своей книге «Структура научных революций» (The Structure of Scientific Revolutions) историк и философ науки Томас Кун {26} .

Взглянем на пример английского астронома сэра Уильяма Гершеля с телескопом его собственного изготовления. Открыв планету Уран 13 марта 1781 г., он отодвинул известные границы Солнечной системы за пределы классических планет благодаря своему наблюдению. К 1846 г. Уран почти завершил полное обращение по орбите с того момента, когда Гершель произвел первое наблюдение. Астрономы, отслеживая его орбиту, обнаружили противоречия, которые не могла объяснить ньютоновская теория гравитации. Появились мысли: либо Ньютон ошибся, либо его законы движения нуждаются в правке. Взяв за исходную точку наблюдаемые аномалии, французский астроном Урбен Леверье предположил, что на движение Урана влияет невидимая планета, скрывающаяся за ним, и рассчитал, где должна находиться такая планета. Его прогнозы подтвердились, когда 23 сентября 1846 г. Иоганн Готфрид Галле и Генрих Луи д’Арре обнаружили Нептун. Британский астроном Джон Коуч Адамс также был на правильном пути и сделал независимое предсказание. Тем не менее его опередил Леверье, который первым сообщил об обнаружении Нептуна. Законы Ньютона остались неизменными {27} .