Помоги проекту - поделись книгой:
Вера Купер-Рубин
Вера Рубин (урожденная Купер) – пожалуй, самая известная женщина-астроном. Она родилась в 1928 году в Филадельфии. Она никогда не была теоретиком и называет себя наблюдателем.
Первый телескоп с трубой из куска линолеума помог Вере построить отец. Конечно, с его помощью она не могла фотографировать звезды, не могла полноценно следить за их движением (если быть более точными, их кажущимся движением, так как вращение Земли создает иллюзию, будто звезды движутся по ночному небу). Но именно движение звезд разбудило в Вере интерес к астрономии. Окно ее комнаты на втором этаже выходило на север, она каждую ночь смотрела на небо в этом направлении, и скоро поняла, что звезды медленно идут по кругу вокруг какой-то точки, а в разные времена года звезды меняются. И с тех пор предпочитала следить за движениями звезд на ночном небе, а не спать. Она запоминала движения небесных тел, а утром записывала их в тетрадку.
Можно сказать, что Вера Купер смотрела на Вселенную в некотором роде как Ньютон: материя в движении; предсказуемые модели и схемы; небесные тела (и Земля среди них), несмотря на все свои странствия по небу, в конце концов возвращаются в изначальное место. Но Вера Купер родилась уже после того, как Эдвин Хаббл объявил, что Млечный Путь – не единственная галактика в нашей Вселенной, и за год до того, как он объявил, что галактики расходятся, и что чем дальше они находятся друг от друга, тем быстрее. То есть единственная Вселенная, которую знала Вера Купер, состояла из галактик, и эти галактики находились в движении.
При выборе темы научной работы для получения степени магистра в Корнельском университете, где она изучала физику и астрономию, Вера решила заняться старым взглядом на космос, работающий как часы, но представить его обновленную версию с учетом новой информации о расширяющейся Вселенной. Отмечу, что она не смогла поступить в аспирантуру Принстонского университета, так как на специальность «Астрономия» женщин не принимали вплоть до 1975 года. Вера Купер решила: раз Земля вращается вокруг своей оси, Солнечная система тоже вращается, галактики вращаются – то и у Вселенной, возможно, имеется ось. Может, вращается вся Вселенная.
Это предположение показалось ей разумным. И не только ей. Она вышла замуж за Роберта Рубина, который в то время писал диссертацию по физике, и муж показал ей статью американского физика-теоретика русского происхождения Георгия Гамова (1904–1968) «Вращающаяся Вселенная?», опубликованную в журнале
Вера Рубин собрала данные по 108 галактикам, в случае которых астрономы смогли измерить красное смещение. Затем она отделила движения, которые происходили из-за расширения Вселенной, и задалась вопросом: а оставшиеся движения, которые казались странными, соответствуют какой-то модели или схеме? Она считала, что да. Ей было всего 22 года, до получения степени магистра оставалось полгода, когда она представила свою работу на заседании Американского Астрономического Общества в декабре 1950 года. Мнение собравшихся оказалось единогласным: само предположение странное, данные слабоваты, вывод неубедительный.
Здесь я не могу не отметить, что практически на протяжении всей своей научной карьеры Вера Рубин сталкивалась с критикой мужчинами, нежеланием принимать ее работу и выводы и даже враждебностью. Мужчины не хотели допускать женщину в астрономию, которая долгое время была исключительно их вотчиной. Ее хобби – рисование – привело к предложению рисовать картины на астрономические темы при отказе принять ее в колледж по специальности «Астрономия». В ее официальной биографии упоминается фраза школьного учителя физики: «У тебя все будет хорошо, пока будешь держаться подальше от науки».
Конечно, помогала уверенность в себе, и Вера не стала расстраиваться после того выступления на заседании Американского Астрономического Общества в 1950 году. Она просто подготовила научную работу для получения степени магистра и посчитала, что полученный результат стоит того, чтобы о нем сообщить. Это было ее первое посещение заседания Общества, ранее она почти не встречалась с профессиональными астрономами. Однако это выступление стало для Веры Рубин хорошим уроком. Она поняла, что еще остается новичком в астрономии, а ее работа совсем не соответствует общему направлению проводимых исследований.
Тогда она не знала, что Гамов был почти единственным среди астрономов, а Гедель среди теоретиков, считавших вопрос вращения Вселенной вообще стоящим серьезного внимания. Сам Гамов признавал, что эта идея на первый взгляд кажется фантастической. Но что если вы не полагаетесь на свой «первый взгляд»?
Кто в середине ХХ века мог знать, к чему приведет это переосмысление Вселенной? Масштабы изменились. Астрономам пришлось заняться космологией. Вера Рубин не считала себя космологом. Она вначале даже не считала себя астрономом – ведь ей пока ни разу не удалось посмотреть на звездное небе через профессиональный телескоп. Через полгода после выступления на собрании Американского Астрономического Общества Вера Рубин получила диплом, ее муж защитил диссертацию, их сыну еще не исполнилось года, они планировали второго ребенка и переехали в округ Колумбия, где мужа ждала работа. Муж настаивал, чтобы и Вера занялась диссертацией, но она пока не определились с будущим.
И тут позвонил Георгий Гамов! Позже Вера Рубин говорила: «Он не умел ни писать, ни считать. Он не сразу сказал бы вам, сколько будет семью восемь. Но его ум был способен понимать Вселенную».
Георгий Гамов
Этот выдающийся ученый внес в исследование Вселенной огромный и неоспоримый вклад. Про Гамова говорили: скромные познания в математике – и великолепное воображение. Гамов обладал удивительной способностью видеть аналогии между моделями для физических теорий. Один коллега сказал о Гамове, что тот мог далеко продвинуться с помощью интуитивных картинок и аналогий, почерпнутых путем сравнений из области истории или даже искусства. 90 % его идей были ошибочны – и не стоило большого труда в этом убедиться. Но он не расстраивался – ведь оставалось еще 10 % правильных мыслей! Практически все отмечали, что с Гамовым было поразительно приятно работать вместе. Лев Ландау подчеркивал: Гамов бесспорно, лучший теоретик СССР.
У Георгия Гамова были широкие интересы. Он занимался атомной и ядерной физикой, астрофизикой, космологией, квантовой механикой. Он – один из основоположников теории «горячей Вселенной». Гамов широко известен не только в научных кругах, а и среди простых людей благодаря рассказам о приключениях мистера Томкинса и научно-популярным книгам по физике и астрофизике, в которых живым и доступным языком он рассказывал о современных научных идеях и представлениях. Они написаны настолько увлекательно, что их с удовольствием читали люди, очень далекие от науки. В 1956 году, уже давно будучи гражданином США, он получил премию ЮНЕСКО за популяризацию науки.
Гамов – потомственный дворянин. Он родился в Одессе в семье учителя русского языка и литературы. Дед со стороны отца был офицером царской армии, как и многие другие предки по отцовской линии, мать – из семьи духовенства, большинство мужчин в ее роду были священнослужителями и занимали высокие или относительно высокие посты в русской православной церкви. В роду имелся один математик, автор учебника по алгебре.
После окончания школы в 1921 году Георгий Гамов поступил на математическое отделение физико-математического факультета Новороссийского университета в Одессе и в период учебы подрабатывал в Одесской астрономической обсерватории. В 1922 году он поступил на физико-математический факультет Петроградского университета и одновременно работал на метеорологической станции Лесного института. В 1924 году его пригласили на работу в Государственный оптический институт, и там Гамов понял, что хочет заниматься теоретическими исследованиями. Он закончил университет в 1926 году и поступил в аспирантуру. Его первая поездка за границу состоялась через два года, хотя преподаватели рекомендовали сразу же отправить талантливого молодого человека на стажировку. На оформление документов ушло два года.
Дворянское происхождение Гамова сыграло в этом свою роль. Именно благодаря работе в Германии он стал известен в научном мире, занимаясь теорией атомного ядра и альфа-распада (он считается разработчиком теории альфа-распада). По пути домой Гамов заехал в Копенгаген познакомиться с Нильсом Бором – и остался в Дании на год. Бор добился для него стипендии фонда Карлсберга. За время работы с Бором Гамов посетил научные центры в Лейдене и Кембридже. В СССР он вернулся в 1929 году, весной, а осенью опять поехал в Копенгаген благодаря стипендии Рокфеллеровского фонда. На этот раз он вернулся в СССР весной 1931 года и сразу же включился в работы по ядерной физике, которые проводили в Радиевом институте и Ленинградском университете. Академик Иоффе пригласил его консультантом новообразованного Отдела физики ядра в Ленинградском физико-техническом институте. В марте 1932 года он был избран членом-корреспондентом Академии Наук СССР и до сих пор остается самым молодым из избранных физиков за всю ее историю – на момент избрания ему исполнилось 28 лет.
Тем временем положение ученых в СССР изменилось не в лучшую сторону. Например, Гамова не выпустили на Международный конгресс по ядерной физике в Риме, куда он был приглашен персонально. Гамов стал искать возможности покинуть СССР, хотя бы нелегально. Случай представился в 1933 году на конгрессе в Брюсселе, куда он смог взять и жену благодаря высоким знакомствам, обеспечившим ей разрешение на выезд. Изначально он не хотел окончательно рвать с родной страной. Он просто хотел работать за границей и иметь возможность свободно посещать крупные международные научные центры. Но это оказалось невозможным. Когда Гамов не вернулся по окончании срока командировки, он был уволен с работы и исключен из членов-корреспондентов Академии наук.
Гамов работал в Институте Бора в Копенгагене, в Кембриджском университете, Радиевом институте в Париже, потом поступило предложение из США, и осенью 1934 года он был приглашен в Университет Джорджа Вашингтона. В этот период своей карьеры он активно интересовался связью между ядерными процессами и источником энергии звезд. Гамов построил первую последовательную теорию эволюции звезд с термоядерным источником энергии, потом занялся изучением роли нейтрино в катастрофических процессах, происходящих при вспышках новых и сверхновых звезд. Совместно с Эдвардом Теллером Гамов предложил теорию строения красных гигантов, предположив наличие у них устойчивого ядра и оболочки, в которой происходят термоядерные реакции.
Космологией Гамов начал активно заниматься в 1946 году. Он изначально был сторонником теории Большого взрыва и предложил модель «горячей Вселенной» в рамках этой теории. На основании разработанной им концепции образования химических элементов путем последовательного нейтронного захвата было предсказано существование реликтового излучения. Открыли его, как я говорил выше, Арно Пензиас и Роберт Вильсон, за что были удостоены Нобелевской премии (1978). Но основы для этого заложил Георгий Гамов. Ральф Альфер и Роберт Херман были его учениками. Работы всех троих получили признание и уважение коллег – за то, что они захотели серьезно воспринимать раннюю Вселенную и исследовали то, что должны сказать известные физические законы о первых минутах ее существования.
И этот самый Георгий Гамов, человек с именем, позвонил фактически никому не известной Вере Рубин и спросил о ее исследованиях.
…Ральф Альфер, ученик Гамова, сидел в одном кабинете с ее мужем в Университете Джона Хопкинса, в лаборатории прикладной физики. В том же здании трудился и Роберт Херман. Гамов иногда выступал в этой лаборатории в качестве консультанта, и они вместе с Альфером и Херманом выполняли какие-то работы. От них Гамов и узнал про работу Веры Рубин и заявил, что хотел бы услышать о вращении Вселенной.
Добиться невероятных успехов в науке Вере Рубин помогла поддержка мужа. Он специально выбрал эту лабораторию прикладкой физики как постоянное место своей работы, чтобы у жены была возможность получить и образование, и работу в области астрономии, которой, как я уже рассказывал, она интересовалась с детства. Она стала посещать лекции в Джорджтаунском университете и работать под руководством профессора Гамова.
Вера Рубин поняла, что познакомилась с гением. Он мог заснуть во время лекций, был крайне рассеян и невыносим в быту. Но он также находил ответы на вопросы, на которые не мог ответить никто другой. Общаясь с Гамовым, собеседники понимали, что их собственный разум никогда не будет так работать.
Во время одной из их первых встреч Гамов предложил Вере Рубин подумать не о движении галактик в целом, а о результатах этих движений – о расположении или организации галактик. Распределение галактик по Вселенной случайно и единообразно, как предполагает большинство астрономов? Так думал Хаббл, утверждая, что наблюдаемые области во всех направлениях в общем одинаковы. В некотором смысле он повторял два предположения современной ему космологии – однородность и изотропия. По мнению Хаббла и его поколения астрономов скопления галактик, которые наблюдали ученые, были просто случайностями, ошибками природы или, возможно, неким видом космической оптической иллюзии.
Гамов же думал в других масштабах. Может, странные движения галактик – отличные от прямого расширения – были не случайны, как предполагало большинство астрономов? Может, гравитационные взаимодействия между галактиками, даже через ранее немыслимые расстояния, иногда бывают достаточно сильными, чтобы препятствовать расширению на местном уровне? Может, ни одна галактика не является «островом», или является не каждая?
А потом франко-американский астроном Жерар-Анри де Вокулёр (1918–1995), в то время работавший в Австралии, стал бомбардировать письмами Веру Рубин. Вокулёр разработал классификацию типов галактик по виду их изображений на фотографиях, отличающуюся от других классификаций (в частности классификации Хаббла) большей детальностью. Вообще, он занимался внегалактической астрономией, звездной фотометрией, физикой планет. Вокулёр составил три обширных каталога галактик, последний из которых включает 4364 объекта. Он исследовал строение нашей галактики и ряд отдельных, изучал Магеллановы Облака, оценил их размеры, массу, расстояние, состав и установил, что Большое Магелланово Облако вращается. Вокулёр считал, что окружающие нас галактики образуют огромную систему.
Однако Вокулёру показалось, что работа Веры Рубин предполагает не вращение Вселенной, а движение скопления галактических скоплений. Он называл его сверхскоплением. Гамов просил подумать над вопросом: происходит ли скопление галактик, а если да, то почему?
Вера Рубин снова воспользовалась уже собранными данными, которые находились в свободном доступе, – их мог изучать каждый, кто захочет. На этот раз она взяла данные Гарвардского университета и анализировала их, сравнивая расположение галактик на небе с расстояниями, которые давало их красное смещение. В своей диссертации «Колебания в космическом распределении галактик», которая была включена в «Протоколы Национальной Академии Наук» 15 июля 1954 года, она сделала вывод: галактики не сталкиваются и не скапливаются случайно или произвольно. Для этого есть причина, и эта причина – гравитация.
Вера Рубин и Кент Форд
Прошло несколько лет. Вера Рубин стала матерью четверых детей и преподавателем астрономии в Джорджтаунском университете, но все еще не являлась практическим астрономом. Она стала им только в 1963 году. Именно тогда она впервые смогла поработать в настоящей профессиональной обсерватории – Национальной обсерватории Китт Пик. В этот период она вместе со своими студентами изучала движение 888 относительно близких звезд, но пользовалась своим привычным методом – собирала данные по каталогам и различным базам данным.
Большинство астрономов того времени изучали движение звезд, наиболее близких к центру галактики Млечный Путь. Рубин же пошла другим путем: она стала наблюдать так называемый антицентр галактики. Это теоретический пункт в небе, который находится непосредственно напротив центра галактики Млечный Путь. То есть ее интересовали далекие звезды. На следующий год она стала первой женщиной в мире, получившей приглашение в Паломарскую обсерваторию.
Тогда она и приняла решение заниматься только астрономией. Вера Рубин жила неподалеку от Отдела земного магнетизма Института Карнеги в Вашингтоне, в библиотеке которого проходили встречи с Гамовым. В пятнадцати минутах ходьбы жил Бернард Берк, штатный радиоастроном упомянутого отдела, с которым она любила поговорить о радиоастрономии и о его работе, посвященной вращению Млечного Пути. В Отделе земного магнетизма, основанном в 1904 году, еще никогда не было сотрудника женского пола. В декабре 1964 года Вера попросила Берка принять ее на работу. Позднее она вспоминала, что тот, наверное, меньше бы удивился, если бы она предложила ему на ней жениться. Так с 1 апреля 1965 года Вера Рубин приступила к работе в Отделе земного магнетизма и оказалась в одном кабинете с Кентом Фордом. Ранее никто кабинет с Фордом не делил, потому что он все время занимался созданием и сборкой каких-то инструментов, а остальные сотрудники отдела работали с бумагами – документами, графиками и диаграммами. Вера подключилась к ловле «астрономической дичи».
Они стали работать вместе. Вера решила, что необходимо найти тему, которой она сможет заниматься, имея в распоряжении только маленькие телескопы. Напоминаю, что она не состояла в штате никакой крупной обсерватории, она не была на тот момент знаменитым ученым, поэтому приходилось пользоваться доступными техническими средствами. С другой стороны, тема должна была быть такой, которую никто не украдет, пока она будет ею заниматься. И результаты исследования должны принести пользу обществу.
Подумав, Вера Рубин выбрала туманность Андромеды, крупную спиральную галактику, обозначаемую М31 и ближайшую, которая напоминает нашу собственную.
В 1960-е годы Рубин первой провела исследование (в котором принимал участие Форд), показавшее, что орбитальная скорость звезд в отдаленных частях галактик соответствует скорости звезд в центре галактики. В тот период считалось, что самые мощные гравитационные силы действуют там, где больше массы (то есть в центре), а в отдалении сила, наоборот, должна уменьшиться, заставляя орбиты замедляться. Также Вера Рубин с Кентом Фордом обнаружили, что скорости звезд, входящих в спиральные галактики, гораздо медленнее убывают по мере увеличения расстояния до галактического центра, нежели положено по законам механики.
Начиная исследования, Вера Рубин ожидала увидеть систему, соответствующую универсальному единому закону гравитации – чем дальше планета от Солнца, тем медленнее она движется по орбите. Если какая-то планета находится в четыре раза дальше от Солнца, чем другая, то скорость более удаленной составит половину скорости движения по орбите более близко расположенной планеты. Если планета находится в девять раз дальше, то скорость составит одну треть.
Плутон находится в сто раз дальше от Солнца, чем Меркурий, значит, скорость его вращения по орбите должна составить одну десятую скорости вращения Меркурия. Если отразить это взаимоотношение между расстоянием и скоростью на графике (чем больше удаленность, тем ниже скорость), должна получиться кривая, идущая вниз. Именно это ожидали увидеть Рубин и Форд в различных частях галактики: чем дальше звезды от центра галактики, тем медленнее будут их скорости. Все астрономы до них всегда ожидали увидеть идущую вниз кривую взаимоотношений удаленности и скорости. Но эти ученые не производили фактических наблюдений, потому что у них не было спектрографа Форда. Более того, Рубин и Форд дошли до дальних краев спирали. Скорость звезд в центре галактики и в самых дальних ее частях оказалась одной и той же – как будто бы Плутон и Меркурий двигались на одной скорости.
Рубин выступила с рассказом о результатах их совместной работы на заседании Американского Астрономического Общества в 1968 году. Первые данные совместной работы Рубин и Форд опубликовали в 1970 году – это были результаты измерений скоростей звезд и газовых облаков в туманности Андромеды. Именно при ее изучении выяснилось, что вдали от центра галактики эти скорости примерно постоянны. Через несколько лет были получены аналогичные данные для десятков спиральных галактик, а вскоре их подтвердили и другие исследователи. Джим Пиблс, упомянутый выше, очень заинтересовался их открытиями и стал использовать эти данные для дальнейшего исследования ранней Вселенной.
В галактике движется все. Во Вселенной в движении находятся все галактики. Каждые две минуты Земля проходит 2500 миль по своей орбите вокруг Солнца. Солнце проходит 20000 миль по своей орбите вокруг центра нашей галактики. За 70 лет – среднюю продолжительность человеческой жизни – Солнце проходит 300 000 000 000 миль. Масштабы Вселенной настолько огромны, что астрономы не могут увидеть фактическое вращение галактик. Если бы, например, наблюдатели, находящиеся в туманности Андромеды, занялись изучением нашей галактики, то увидели бы неподвижную спираль – по крайней мере, она показалась бы им такой. И то же самое видят земные ученые, когда наблюдают за туманностью Андромеды. Но спектрограф видит другое – приемник излучения одновременно регистрирует весь возможный электромагнитный спектр исследуемого объекта, он может показать, сколько света из туманности Андромеды сместилось к красному концу спектра или к фиолетовому, то есть, как быстро галактика приближалась к Вере Рубин или удалялась от нее. Вера Рубин продолжала смотреть на далекие объекты, но теперь ее также интересовали и мелкие детали поближе к дому, на которые другие исследователи внимания не обращали.
Приборы середины 1960-х годов значительно превосходили инструменты, например, 1916 года, когда туманностью Андромеды занимался американский астроном Фрэнсис Пиз (1881–1938), который участвовал в создании всего первоначального оборудования обсерватории Маунт-Вильсон. Он занимался измерением диаметров звезд с помощью интерферометра, в 1916–1917 годах одним из первых измерил лучевые скорости слабых галактик и определил вращение галактик с помощью спектрографа. Но на одну галактику ему требовалось 84 часа в течение трех месяцев. Новый инструмент, сконструированный Кентом Фордом, сокращал это время на 90 %! Они с Рубин получали от четырех до шести спектров на одну ночь. Инструмент Форда позволял измерить вращение туманности Андромеды гораздо дальше от центра, чем ранее делал кто-либо из астрономов в какой-либо галактике.
Форд и Рубин многократно ездили в Аризону, в две крупнейшие лаборатории, иногда с семьями. Форд и Рубин оказались прекрасными компаньонами – они дополняли друг друга и понимали друг друга с полуслова. После открытия одинаковой скорости звезд в разных частях галактики Рубин и Форд стали строить версии, пытаясь объяснить, почему так происходит. Вначале Вера Рубин думала, что на звезды каким-то образом влияет газ. Возможно, туманность Андромеды – необычная галактика, отличающаяся от остальных.
После того как Рубин и Форд представили результаты своих наблюдений в докладах и статьях, в гости к Рубин приехал ее старый знакомый Мортон Робертс, который работал в Национальной радиоастрономической обсерватории в Шарлоттесвиле, Вирджиния. Он хотел показать Вере кое-какие фотографии. Робертс тоже занимался вращением туманности Андромеды, только проводил наблюдения на радиоволнах. Он выложил на стол «Атлас галактик Хаббла», потом свои фотографии. В своих наблюдениях за звездами и газом он зашел дальше Рубин и Форда. Робертс заявил, что это конец галактики. При этом он же сказал, что там должна быть материя. Но что за материя? Тогда, в переговорной Отдела земного магнетизма, где собрались Рубин, Форд, Робертс и еще несколько коллег, они долго смотрели на сделанные Робертсом снимки – но видели гораздо больше. Их видение простиралось за звезды, за газ спиральных рукавов, за видимый свет. Они там ничего не наблюдали своим обычным человеческим зрением, но решили, что все-таки смотрят на галактику туманность Андромеды. Она существовала, но это было что-то другое!
Фриц Цвикки и темная материя
Первым в истории на возможность существования темной материи указал Фриц Цвикки. Его наиболее значимым вкладом в науку считается открытие скрытой массы – или, скорее, разработка теории скрытой массы. Он занялся этим вопросом в 1930-е годы. Теория заключается в том, что большую часть Вселенной занимает так называемая скрытая масса – невидимое вещество, которое проявляет себя при взаимодействии с видимым. Масса этого вещества во много раз превышает массу всех наблюдаемых объектов. За пределами видимых границ галактики находится несветящаяся, темная материя. К скрытой массе могут относиться черные дыры и коричневые карлики (газовые тела с массой, промежуточной между массами звезд и планет). Можно сказать, что идея скрытой массы витала в астрономических кругах с тех самых пор, как астрономы узнали о существовании галактик.
В настоящее время ученые всего мира признают, что в космологии, которая является относительно новой наукой, открытия проходят два этапа. На первом дается ответ на вопрос, существует ли «это». На втором ставится вопрос: что это такое? В случае с темной материей большинство ученых считают, что ответ на первый вопрос получен. Да, темная материя существует.
В 1932 году Цвикки занялся изучением скопления Волосы Вероники. Исследуя движение галактик, вращавшихся вокруг центра этого скопления, Цвикки вычислил, сколько материи требуется, чтобы поддерживать гравитационную связь между галактиками. Проанализировав их излучение и рассчитав общее количество имевшихся звезд, он обнаружил, что большей части массы не хватало. Цвикки пришел к выводу, что плотность массы должна быть в 400 раз больше, чем предполагала светимость. В дальнейшем астрономы снизили эту цифру до 50 раз, но все равно она представлялась огромной.
В статье в одном швейцарском журнале в 1933 году Цвикки писал, что если астрономы не смогут найти объяснение этого несоответствия, то можно прийти к какому-то поразительному выводу, например, что количество светящейся материи в Волосах Вероники ничтожно в сравнении с каким-то типом dunkle Materie – или темной материи. И это – первое использование термина «темная материя» в научной литературе. Правда, годом раньше этот термин был предложен голландским астрономом Яном Оортом, но использовал он его для изложения ошибочной гипотезы. Поэтому отцом темной материи считается Цвикки.
Спустя три года к аналогичным выводам, независимо от Цвикки, пришел другой американский астроном, Синклер Смит, проживавший в Калифорнии. Он занимался изучением скопления Девы, обработал данные его наблюдения. Смит опубликовал соответствующую статью в «Астрофизическом журнале», рассказав об огромной массе межгалактической материи внутри скопления. Масса этого скопления, определенная исходя из скорости движения галактик (так называемая динамическая масса), в 50 раз превышала массу, вычисленную с помощью оценки светимости звезд. В тот же год этой проблемой заинтересовался Эдвин Хаббл и в своей книге «Царство туманностей» написал, что это несоответствие кажется реальным и важным. В 1937 году Фриц Цвикки написал о необходимости дальнейшего глубокого изучения проблемы.
Прогресс в науке весьма специфичен. Люди занимаются вопросами, которые с наибольшей вероятностью дадут какой-то конкретный результат, помогут прийти к каким-то выводам – или теми проблемами, решение которых просто необходимо по каким-то причинам, будь то экономическим, политическим или социальным. В 1930-е годы прошлого века, в особенности в конце десятилетия, когда началась Вторая мировая война, движения плохо понимаемых большинством людей объектов, галактик в возможно случайных скоплениях мало кого волновало. Например, Джим Пиблс считал проблему скрытой массы одной из тем, на которые ученые болтают во время обеденного перерыва или за чашкой кофе – как и о том, что было до возникновения Вселенной.
Космология приобрела статус настоящей науки в конце 1960-х годов, и о проблеме скрытой массы внезапно вспомнили. Более того, ее требовалось решать! Если рассматривать эволюцию Вселенной в больших масштабах, как, например, это делал Пиблс, то никак нельзя проигнорировать поведение крупнейших структур Вселенной, скоплений галактик. Считается, что Джим Пиблс первым использовал термин «темная материя» на английском языке – и первым после Цвикки. Это было сделано в одной из его статей в 1969 году. Пиблс писал о том, что плотность материи в галактиках, возможно, увеличивается за счет темной материи. Но это скорее было исключением из правил.
То, что Пиблс видел в скоплениях галактик, он стал видеть и в отдельных галактиках. А что если скрытая масса не является проблемой только одних скоплений галактик? А если это проблема и отдельных галактик? И одна и та же проблема?
Коллега по Принстонскому университету астроном Иеремия Острикер как-то заглянул к Пиблсу и признался, что он не понимает кое-что в поведении Млечного Пути. Острикер занимался вращающимися небесными телами еще со времени учебы в Кембридже. Он написал диссертацию о вращающихся звездах. Уже в XIX веке ученые знали, что если вращать изначально сферическую каплю жидкости, она станет сплющенной у полюсов, а в конце концов сожмется в форме бруска или стержня. Острикер смотрел на звезды как на капли жидкости, то есть сжимаемые объекты, и пришел к выводу, что со временем они должны сплющиваться у полюсов.
Острикер сказал Пиблсу, что посмотрел на Млечный Путь и на другие спиральные галактики, о тысячах которых астрономы уже собрали сведения, как на плоский диск. Острикер считал, что Млечный Путь уже должен был сжаться или распасться на две галактики после первого круга. Тем не менее ко времени разговора двух ученых Млечный Путь совершил уже, по крайней мере, несколько дюжин вращений. Острикер решил, что здесь что-то не так. Пиблс согласился, построил модель Млечного Пути и запустил вращение. Модель, созданная на основании имевшейся информации, показала, что катастрофа случилась бы во время первого круга продолжительностью 200 миллионов лет. Что-то обеспечивало стабильность, например, какая-то окружающая масса, которая удерживала Млечный Путь гравитационно. Они ничего такого не видели в телескопы – по крайней мере, тогда. Но что-то там должно было быть! И это что-то Пиблсу и Острикеру следовало встроить в программу.
Они решили окружить видимую галактику этой массой и посмотреть, что произойдет. Если вращающийся диск стабилизируется, они станут сокращать гало до тех пор, пока не случится дестабилизация. Если же они запустят диск и он не стабилизируется, они станут расширять гало. Ученые использовали все больший гало, и система стабилизировалась только когда масса невидимого гало стала примерно соответствовать видимым частям галактики. В результате они пришли к выводу, что массы гало нашей и других спиральных галактик, находящихся вне наблюдаемых дисков, могут быть невероятно большими. И написали об этом совместную статью.
На следующий год Пиблс и Острикер занялись анализом наблюдений, уже сделанных астрономами, исследовали данные по отдельным галактикам, потом данные по бинарным галактикам – парам галактик, где каждая тесно гравитационно взаимодействует с другой. В итоге ученые сделали простое заявление: у них еть основания считать, что массы обычных галактик могут быть недооценены, причем раз в десять, а то и больше.
Продолжение исследований Веры Рубин
Вера Рубин была одной из немногих, кто посчитал статьи Пиблса и Острикера блестящими. Она знала и о работах Цвикки и Синклера, которые пришли к выводу, что столь серьезное расхождение невозможно объяснить погрешностью расчетов, поэтому Млечный Путь и некоторые спиральные галактики содержат несветящееся вещество, масса которого значительно превышает массу звезд. Другие астрономы отнеслись к статьям Пиблса и Острикера, мягко говоря, не очень тепло, а то и откровенно враждебно. Ведь получалось, что все годы астрономы изучали лишь 10 % того, что фактическим имелось на небе. Также большинство ученых не задумывались о взаимоотношении гравитации и галактик.
Об этом думала Вера Рубин. После того как они с Кентом Фордом закончили работу по туманности Андромеды, она снова обратилась к вопросу, над которым впервые задумалась еще перед получением степени магистра. Вселенная вращается или нет? Теперь Рубин формулировала вопрос и по-другому: распределение галактик и их скорость предполагают отсутствие единообразия за нашим участком Вселенной? То есть Вселенная не так проста, как ученые думали изначально?
Со времени первого выступления Веры Рубин на заседании Американского Астрономического Общества прошло 20 лет. Она стала известным ученым, ее находки подтвердили другие астрономы, в частности, Жерар-Анри де Вокулёр, с которым она вела постоянную переписку, опубликовал несколько работ, демонстрируя результаты, аналогичные ее собственным. К 1970-м годам вопрос неединообразного распределения галактик в ближайшей к нам части Вселенной уже не вызывал споров. Большинство астрономов приняли доказательства и смирились с тем, что некоторые галактики собираются в группы (скопления) в то время как вся Вселенная в целом расширяется. Однако большинство ученых считали, что на значительном удалении Вселенная будет единообразной во всех направлениях. Рубин, Форд и дочь Веры Юдифь, которая тогда была студенткой, но уже присоединились к работе матери, задались вопросом: а галактики действительно ведут себя таким образом?
Первая совместная работа была опубликована в 1973 году, предварительные данные оказались поразительными! Казалось, что группа галактик несется в одну из частей неба. Большая часть научного сообщества опять отвергла выводы Веры Рубин. Некоторые известные астрономы даже советовали ей прекратить исследования в этом направлении, чтобы не сломать свою карьеру. Но они с Фордом упрямо продолжали работу и в 1976 году опубликовали все полученные данные. Вера Рубин к тому времени устала от критики чуть ли не каждого своего шага. По ее словам, она недостаточно умна, чтобы объяснить, почему Вселенная такая, какая она есть. Но она такая.
Рубин и Форд продолжали наблюдения. Они находили подтверждения увиденного в туманности Андромеды, о чем писали еще в 1970 году, и того, что им показал Мортон Робертс в результате радионаблюдений той же галактики. Явления повторялись. Полной аналогии с планетарными системами в спиральной туманности Андромеды не существует. В результате измерений скоростей звезд и газовых облаков туманности Андромеды оказалось, что вдали от ее центра эти скорости примерно постоянны. Скорость планеты, обращающейся вокруг одиночной звезды, обратно пропорциональна квадратному корню из радиуса ее орбиты. Значит, по мере увеличения расстояния она монотонно убывает. Это связано с тем, что сила тяготения звезды убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, а других источников тяготения в этой системе нет. С другой стороны, основная масса галактики приходится на звезды и газовые скопления, находящиеся на значительных расстояниях от ее ядра. Поэтому скорости внутригалактических объектов по мере удаления от ядра должны возрастать, достигнуть максимума, а затем убывать до очень малых значений. Вот этого как раз обнаружить и не удалось: после прохождения максимума скорости уменьшались, однако к нулю не стремились.
В целом Рубин и Форд изучили 60 галактик. В 1974 году они использовали уже новый 4-метровый телескоп, установленный в Национальной обсерватории Китт-Пик, диаметр которого в два раза превышал диаметр телескопа, с помощью которого они наблюдали за туманностью Андромеды. С помощью нового телескопа и спектрографа Форда они смогли изучать галактики, находящиеся глубже во Вселенной и дальше по рукавам спиралей.
В 1978 году Рубин и Форд опубликовали данные по еще восьми галактикам – кривые вращения при отражении взаимоотношения между расстоянием и скоростью на графике были ровными линиями. Те же данные получали и радиоастрономы.
Рубин добилась чего хотела. Собранные данные четко говорили об одном и том же. Наблюдатели и теоретики оспаривали и проверяли ее данные. Кто-то возражал: радионаблюдения не дают четкого представления, охватывают слишком большую часть неба для того, чтобы собрать надежные данные. Другие говорили, что Рубин изучала галактики с высокой светимостью, потому что их легче обнаружить – может, у них просто аномальная масса. Третьи – что кривые вращения эллиптических галактик будут отличаться от кривых вращения спиральных. Четвертые – что она просто просчиталась. Но даже самым яростным критикам было трудно спорить с единообразием собранных данных. Все скептики могли посмотреть на кривые вращения галактик. Можно увидеть источники света. Можно посчитать, какой должна бы быть масса в зависимости от движения галактики. И увидеть, что она получается другой.
Что мы имеем в результате? Однозначный вывод – своего рода невидимая темная материя должна быть рассеяна всюду по Вселенной. В 1977 году после конференции в Йельском университете у Веры Рубин сложилось впечатление, что многие астрономы хотят как-то избежать решения вопроса «темной материи» или надеются на это.
В 1979 году в «Ежегодном обзоре астрономии и астрофизики» была опубликована большая статья Сары Фабер и Джей Галлагер, которые пришли к выводу, что вопрос невидимой массы во Вселенной стоит очень остро. Результаты наблюдений и исследований веско доказывают ее существование. Эта статья сыграла очень большую роль, заставив большинство астрономов признать существование проблемы «скрытой массы». Астрономы знали, где она находится. Проблема состояла в том, что ее не видно! Ни невооруженным глазом, ни с помощью традиционных оптических телескопов, ни с помощью усовершенствованных, которые позволяли наблюдать Вселенную на любой длине волны. Она была вообще скрыта! Тогда как раз и вспомнили немецкое слово dunkle, которое Цвикки использовал еще в 1933 году. Так материя стала темной.
Но ведь никто никогда не говорил о том, что вся материя является излучающей. Люди это просто предполагали. Вера Рубин призывала астрономов спокойно признать, что они видят. Факт состоит в том, что только от 5 до 10 % Вселенной обладает светимостью. Но ведь когда Галилей заглянул в космос с помощью первого телескопа, он понял, что таким образом увидит больше Вселенной, чем мог видеть кто-либо раньше. Теперь же перед человечеством встала новая проблема: увидеть то, чего не видно даже с помощью самых мощных современных приборов и технологий.
Судьба Вселенной
Все новые ученые задавались вопросом о форме Вселенной, весе Вселенной и судьбе Вселенной. В частности, этими вопросами занимались в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, которая ведет несекретные исследования, входит в структуру Калифорнийского университета и является лабораторией Министерства энергетики США. Также отмечу, что 11 сотрудников лаборатории в разное время стали лауреатами Нобелевской премии.
Одним из сотрудников лаборатории является Сол Перлмуттер, удостоенный Нобелевской премии по физике в 2011 году за открытие ускоренного расширения Вселенной посредством наблюдения дальних сверхновых. Премию он получил совместно с Брайаном Шмидтом и Адамом Риссом.
Поделиться книгой: