Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

Идея о невидимых массах во Вселенной по каким-то причинам оказалась непопулярной в астрономических кругах (возможно, потому, что в неё сложно было поверить). Но ситуация изменилась, когда Рубин и Форд представили свои наблюдения за звёздами в спиральных галактиках. [97] Rubin V., Thonnard N., Ford K. Rotational Properties of 21 Sc Galaxies with a Large Range of Luminosities and Radii, from NGC 4605 ( R = 4 kpc) to UGC 2885 ( R = 122 kpc). // Astrophysical Journal. — 1980. — Vol. 238. — P. 471 ( http://adsabs.harvard.edu/abs/1980ApJ...238..471R ). Множество звёзд вели себя аномальным образом, и закрывать на это глаза было нельзя.

Гравитация не только указывает на наличие тёмной материи, но и позволяет рассчитать её распределение. Дело в том, что по пути к Земле свет от дальних галактик искривляется за счёт силы притяжения тёмной материи. По искажению, или «линзированию» изображений, таких галактик можно понять, как тёмная материя была распределена на их пути. Прямо сейчас в горах Чили идёт создание телескопа, который поможет учёным исследовать этот эффект. Большой обзорный телескоп (Large Synoptic Survey Telescope) станет чем-то вроде телескопа наоборот. [98] Подробнее о Large Synoptic Survey Telecope см. по адресу http://www.lsst.org . Его задачей будет собирать свет и создавать изображения тьмы.

Свидетельствами существования тёмной материи являются не только спиральные галактики. Есть и ещё одно важное место. Вселенная появилась 13,82 миллиарда лет назад в результате Большого взрыва и с тех пор расширяется и остывает. Из обломков материи после взрыва родились около 100 миллиардов галактик, включая и наш Млечный Путь. Единственный минус этого сценария в том, что он не учитывает одну довольно важную характеристику Вселенной — существование людей.

Галактики появились на свет потому, что какие-то области гигантского огненного шара во время Большого взрыва оказались более плотными, чем другие (считается, что эти «колебания плотности» в первые доли секунды после взрыва оставили свой отпечаток на всей Вселенной в виде квантовых процессов, но это уже совсем другая история). [99] См. Chown M. Afterglow of Creation. — London: Faber & Faber, 2010. Так как более плотные области имели чуть бо́льшую силу притяжения, она накапливали материю быстрее, чем другие. Дополнительная масса увеличивала силу притяжения и так далее по замкнутому кругу. Но дело в том, что этот процесс идёт очень медленно; 13,82 миллиарда лет, прошедших с момента зарождения Вселенной, было бы недостаточно для формирования таких больших галактик, как Млечный Путь. Значит, во Вселенной должно существовать больше материи, которую мы не можем увидеть в телескопы. Материи, чья гравитация ускорила рождение галактик. Тёмной материи.

Масса всей тёмной материи во Вселенной превышает массу видимой материи (включая галактики, звёзды и прочие объекты, состоящие из атомов, вроде нас с вами) примерно в 5–6 раз. На самом деле благодаря европейскому телескопу «Планк», который регистрирует «остаточное свечение» Большого взрыва, мы можем назвать даже более точную цифру. В то время как атомы составляют 4,9% энергии массы в нашей Вселенной, 26,8% приходится на тёмную материю. Оставшиеся 68,3% известны также как «тёмная энергия». Они были открыты в 1998 году, невидимы для человеческого глаза, заполняют собой весь космос и обладают отталкивающей гравитацией, но это тоже совсем другая история. [100] Там же.

Если вы спросите меня, что такое тёмная материя, я не смогу ответить вам ничего по существу. Некоторые считают, что она состоит из ещё неизвестных человечеству субатомных частиц. Некоторые физические теории, например теория суперсимметрии, постулируют существование доселе неизвестных фундаментальных частиц, которые не «чувствуют» электромагнитную силу и потому не испускают электромагнитных волн, то есть света. Ещё одно предположение состоит в том, что чёрная материя — это множество чёрных дыр, каждая весом с Юпитер и размером с холодильник, которые возникли под воздействием сил Большого взрыва. [101] Чёрная дыра — это область космоса, в которой гравитация настолько сильна, что удерживает всё, что в неё попадает, включая свет (отсюда и эпитет «чёрная»). Чёрные дыры делятся на два типа: дыры звёздной массы, которые формируются, когда гравитация сжимает звезду в конце её жизненного цикла до невероятно малого объёма, и сверхмассивные чёрные дыры, которые могут быть в 50 миллиардов раз массивнее Солнца. Происхождение таких дыр неизвестно, но они находятся в центрах всех галактик, включая нашу. Некоторые физики предполагают, что могут существовать и дыры третьего типа: миниатюрные, возникшие в первые мгновения после Большого взрыва и существующие до наших дней.

Если тёмная материя состоит из «допотопных» чёрных дыр и они равномерно распределены по всей Вселенной, то до ближайшей такой дыры нам придётся лететь 30 световых лет, почти в десять раз дальше, чем до самой близкой к Земле звезды, Альфе Центавра. Если же она состоит из субатомных частиц, то прямо сейчас тёмная материя проходит сквозь вас, не встречая сопротивления, как пуля через сгусток тумана. Лишь одно можно сказать о тёмной материи с полной определённостью: если вы разгадаете её природу, в Стокгольме вас будет ждать ваша Нобелевская премия.

Говоря современным языком, Нептун был тёмной материей своего времени. Но если мы перенесёмся на машине времени в XIX век, то узнаем, что он был не один. Существовала и ещё одна загадочная ускользающая планета, и называлась она Вулкан.

Наверняка многие из вас при слове Вулкан вспомнили родную планету Спока из сериала «Звёздный путь». Джин Родденберри, создавший его ещё в 1960-х годах, выбрал название не случайно. Такая планета действительно существовала, по крайней мере в воображении астрономов XIX века, в частности Леверье.

После триумфального предсказания о существовании Нептуна звезда Леверье взошла на небосклоне науки, и в 1854 году его назначили директором Парижской обсерватории. Но никакая работа, никакие достижения не давали ему того чувства восторга, которое он испытал, чудесным образом найдя новый мир на окраине Солнечной системы. За это открытие монаршие особы искали его расположения, а научный мир и вовсе боготворил. Слава и преклонение вскружили ему голову, и он хотел получать их снова и снова. Если бы только он мог повторить свой успех, если бы ещё раз сумел сделать невероятное предсказание, которое поразит всё человечество. Для этого Леверье решил обратить своё внимание на внутреннюю, а не на внешнюю часть Солнечной системы.

Он задался амбициозной целью: полностью изучить орбиты Меркурия, Венеры, Земли и Марса. Если он сделает это, то, возможно, найдёт какую-нибудь аномалию, которая приведёт его к новому блестящему открытию.