Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

В тех случаях, когда на звезду действует гравитация планеты, максимальная скорость колебания составляет несколько метров в секунду для планет размером с Юпитер и всего десяток сантиметров в секунду для небесных тел, схожих по размерам с Землёй. Иными словами, шар раскалённого газа, зачастую имеющий в диаметре более миллиона километров, перемещается в нашем направлении со скоростью бегущего человека, а от нас — со скоростью черепахи. Это кажется невероятной технической задачей, но астрономы могут измерять такие скорости, используя высокочувствительные спектрографы. Именно так мы узнаём о существовании невидимых планет. [94] В спектрографе используется дифракционная решётка, которая разделяет звёздный свет на разные цвета спектра. Такую решётку можно создать, нанеся множество параллельных царапин на поверхность прозрачного материала, и работает она куда лучше стеклянной призмы. Атомы элементов во внешней атмосфере звёзд на определённых частотах оставляют тёмные полосы в дифракционном узоре. Измерение доплеровского смещения предполагает, насколько сильно такие полосы смещаются по сравнению с аналогичными полосами, созданными земными элементами. Только в середине 1990-х их было открыто более 2000, а прямо сейчас учёные занимаются поисками второй Земли. [95] Экзопланеты обнаруживают не только благодаря флуктуациям их звёзд. Если планета движется вокруг звезды таким образом, что периодически проходит по звёздному диску со стороны, видной с Земли, она может затемнять свет звезды в диапазоне от 1%, если она сравнима по массе с Юпитером, и до 0,01%, если она имеет земную массу. Телескоп «Кеплер», запущенный на орбиту Земли в 2009 году, исследовал излучение более чем 100 000 звёзд и обнаружил таким образом свыше 1000 экзопланет.

Самый яркий пример того, как с помощью закона всемирного тяготения Ньютона мы можем увидеть невидимое, относится не к звёздам и планетам, а к более крупным объектам во Вселенной. В конце XX века учёные, к своему изумлению, обнаружили, что звёзды и галактики, которые раньше считались основными компонентами космоса, составляют лишь малую его часть. Оказалось, что во Вселенной есть гораздо больше объектов, чем мы могли вообразить, и что значительная их часть скрыта от человеческого взора.

В конце 1960-х – начале 1970-х годов астрономы Вера Рубин и Кент Форд из отдела земного магнетизма в Институте Карнеги в Вашингтоне занимались изучением спиральных галактик. Эти звёздные водовороты составляют примерно 15% от всех галактик, и к этому типу относится наш Млечный Путь. Рубин и Форд хотели выяснить, с какой скоростью звёзды в спиральных галактиках вращаются относительно их центра.

Они выбрали для изучения те галактики, которые повёрнуты к Земле ребром, потому что в них звёзды перемещаются вдоль линии прямой видимости. Использовав сверхчувствительный спектрограф, они сумели измерить скорость звёзд с непревзойдённой точностью.

Чем дальше от центра галактики, тем меньше должно быть значение силы притяжения. Соответственно, Рубин и Форд ожидали, что звёзды на границе спирали будут вращаться медленнее, как планеты в Солнечной системе, скорость движения которых уменьшается по мере удаления от Солнца.

Но они обнаружили нечто совсем иное.

Насколько учёные могли видеть, на всех орбитах вокруг центра спиральной галактики скорость звёзд оставалась постоянной. Звёздный водоворот был слишком быстрым. Казалось бы, при такой скорости их должно было бы отбрасывать в стороны, как сиденья на цепочной карусели. Они давно должны были оторваться от галактики и пуститься в свободное космическое плавание. Сила притяжения к центру галактики не должна была их удерживать.

Но удерживала.

Современные астрономы, как и их коллеги в XIX веке, непоколебимо верят в закон всемирного тяготения Ньютона, который за все эти годы принёс им столько успешных открытий. [96] Не все учёные непоколебимо верят в правоту Ньютона и его закона притяжения. Группа физиков под руководством Мордехая Милгрома из Института Веймана в Реховоте, Израиль, полагает, что при ускорении менее одной миллионной доли g гравитация изменяется, превращаясь в более сильную форму взаимодействия, которая не подчиняется закону обратных квадратов. Модифицированная ньютоновская динамика (MOND) способна описать орбитальное движение всех звёзд во всех спиральных галактиках с помощью одной-единственной формулы. Для сравнения: на данный момент для объяснения движения звёзд в каждой спиральной галактике нужно учитывать разное количество тёмной материи и её распределение. Вариант MOND, совместимый с теорией относительности Эйнштейна, был разработан Яаковом Бекенштейном из Еврейского университета в Иерусалиме в 2000 году. См.: Bekenstein J. Relativistic gravitation theory for the MOND paradigm. — 2005. — arXiv:astro-ph/0403694v6 . Поэтому Рубин и Форд придумали этому аномальному поведению звёзд объяснение, которое недалеко ушло от рассуждений Адамса и Леверье о странном движении Урана. Видимо, звёзды в спиральных галактиках не разлетаются потому, что их удерживает сила гравитации, присущая большему объёму материи, чем можно увидеть в телескоп. Гораздо большему объёму.

Судя по всему, каждая спиральная галактика окружена сферическим облаком тёмной материи (чтобы представить это наглядно, вообразите себе компакт-диск в центре пчелиного роя). Тёмная материя либо вообще не излучает свет, либо излучает недостаточно, чтобы его могли зафиксировать современные приборы, а её масса превышает массу видимых звёзд примерно в десять раз.

Открытие Нептуна показало учёным, что они долгое время не замечали целой планеты в Солнечной системе. Открытие тёмной материи имело куда более серьёзное значение. Оно показало нам, что мы долгое время не замечали почти всю Вселенную.

Мнение о том, что Вселенная больше, чем нам кажется, высказывалось ещё в 1930-х годах. Фриц Цвикки, американский астроном швейцарского происхождения из Калифорнийского технологического института в Пасадине, наблюдал за скоплениями галактик. К своему удивлению, он обнаружил, что галактики, из которых состоят подобные скопления, вращаются с такой скоростью, что давно должны были бы разлететься. Примерно в то же время в Голландии Ян Оорт открыл, что звёзды, находящиеся недалеко от нашего Солнца, вращаются быстрее ближе к центру Млечного Пути, что можно объяснить притяжением видимой материи внутри солнечной орбиты.

Цвикки заключил, что в скоплениях галактик на самом деле имеется больше материи, а Оорт понял, что не всю материю в нашей собственной Галактике можно рассмотреть в телескоп. Именно дополнительное притяжение этой тёмной материи, как назвал её Цвикки (он использовал немецкий термин Dunkle Materie ), удерживает вместе звёзды и галактики.