Чтение онлайн

За всеми этими приготовлениями ученые стараются не потерять из виду леса. Казалось бы, пройдут года, прежде чем они воочию увидят плоды своих трудов, но для истории науки, насчитывающей тысячелетия, это ничто. Обнаружение бозона Хиггса и/или открытие суперсимметричных партнеров может определить развитие всей теоретической физики на десятилетия вперед. Еще одна область, которой открытий БАК не хватает, как воздуха, - это астрономия. Астрономы надеются, что прогресс в физике элементарных частиц поможет им раскрыть величайшую тайну небесного мира: из чего состоят темная материя и темная энергия - субстанции, на которые реагирует светящееся вещество, но которые сами тщательно скрывают свою природу и происхождение?

Один из срочных вопросов, на которые БАК, возможно, даст ответ, далек от теоретических измышлений и имеет самое что ни на есть прямое отношение к нам. Вот уже несколько десятилетий астрономия силится разгадать трудную загадку. Если подсчитать всю массу и энергию в космосе, оказывается, что львиная доля материи скрыта от наших глаз. По современным подсчетам, светящееся вещество составляет всего 4% от полного количества материи во Вселенной. В эту жалкую долю входит все, что сделано из атомов: от газообразного водорода до железных ядер планет вроде Земли. Примерно 22% приходится на темную материю, компоненту вещества, которая не излучает электромагнитных волн и дает о себе знать только посредством своего гравитационного поля. Наконец, современные данные говорят, что 74% находится в форме темной энергии, материи неизвестной природы, заставляющей Вселенную расширяться ускоренно. Одним словом, Вселенная - это несобранная мозаика. Может быть, недостающие кусочки поможет найти БАК?

Гипотезы о скрытой материи начали высказываться задолго до того, как эта проблема была признана широкой научной общественностью. Первые подозрения о том, что помимо видимого вещества Вселенную в узде держит нечто еще, появились в 1932 г. Голландский астроном Ян Оорт подсчитал, что звезды во внешних областях галактик двигаются так, будто на них действует гораздо большее тяготение, чем то, которым обладает наблюдаемая материя. Млечный Путь по сути своей похож на гигантскую карусель с лошадками. Звезды вращаются вокруг галактического центра, одни чуть ближе, а другие чуть дальше от диска Галактики. Оорт измерил их скорости и нашел, какой должна быть гравитационная сила Млечного Пути, чтобы она удерживала звезды вблизи галактической плоскости и не давала Галактике рассыпаться. Зная эту силу, Оорт оценил полную массу нашей звездной системы (эта величина сегодня известна как предел Оорта). Результат оказался неожиданным: она была в два раза больше наблюдаемой массы излучающих свет звезд.

В следующем году физик болгарского происхождения Фриц Цвикки, работавший в Калтехе, независимо исследовал, сколько нужно гравитационного «клея», чтобы удержать вместе богатое скопление галактик в созвездии Волосы Вероники [25] . Расстояния между галактиками в группе большие, из-за чего Цвикки и получил для гравитационной силы большую величину. По ней можно было посчитать количество материи, необходимой, чтобы такую силу создать. Цвикки изумился, увидев, что оно в сотни раз превосходит массу видимого вещества. Похоже, эта объемистая структура стояла на замаскированных подпорках, которые одни только и могли ее удержать в устойчивом состоянии.

В 30-х гг. XX в. ученым о Вселенной мало что было известно, если не считать обнаруженного Хабблом расширения. Даже представление о других галактиках как об «островных вселенных», подобных Млечному Пути, находилось в зачаточном состоянии. Неудивительно, что при таком младенческом возрасте физической космологии на необыкновенные открытия Оорта и Цвикки почти никто не обратил внимания. Прошли годы, прежде чем астрономы осознали их значение.

Теперешним интересом к темной материи мы обязаны смелости молодой Веры Купер Рубин, которая вопреки всем предрассудкам того времени (на женщин-астрономов тогда смотрели искоса) решила заняться астрономией. Рубин родилась в Вашингтоне, округ Колумбия, и с детства засматривалась из окна своей комнаты на звезды. Любила читать книжки по астрономии, особенно биографию Марии Митчелл, получившей международное признание благодаря открытию кометы. Путь Веры Рубин к своей мечте нельзя назвать легким: астрономическое сообщество напоминало в те годы закрытый клуб с яркой табличкой на двери «Женщинам вход воспрещен».

Рубин потом вспоминала: «Когда я училась в школе, мне твердили, что мне нигде не добиться места астронома и что я должна заняться чем-нибудь другим. Но я никого не слушала. Если тебе и вправду чего-то хочется, надо брать и делать и, наверное, иметь смелость что-нибудь изменить в этой области»86.

Получив в Вассар-колледже, где когда-то преподавала Митчелл, степень бакалавра астрономии, а в Корнелльском университете - магистра астрономии, Рубин вернулась в родной город, чтобы продолжить изучать астрономию в Университете Джорджтауна. Научным руководителем ее диссертации на степень доктора философии стал Георгий Гамов. Он хоть и не числился среди преподавателей университета, но тоже интересовался эволюцией галактик, и ему разрешили работать с Рубин. Под его началом она и защитилась в 1954 г.

В заботах о четырех детях, рожденных в браке с математиком Робертом Рубином, ей было непросто найти постоянную работу, которая позволила бы совмещать семью и науку. В конце концов, в 1965 г. Отделение земного магнетизма Института Карнеги в Вашингтоне включило ее в состав научных сотрудников. Там Рубин вступила в творческий союз со своим коллегой Кентом Фордом. У того был построенный собственными руками телескоп, и они вместе занялись активными наблюдениями внешних областей галактик.

В первую очередь астрономы направили телескопическую трубу на ближайшую спиральную соседку Млечного Пути, галактику в созвездии Андромеды. С помощью спектрографа они стали собирать данные о доплеровском смещении в спектрах звезд, находящихся на галактической периферии. Доплеровское смещение - это увеличение (уменьшение) частоты излучения от объекта, движущегося к наблюдателю (от наблюдателя). Величина этого смещения зависит от относительной скорости тела. Эффект Доплера свойственен любому волновому процессу, в том числе свету и звуку. Например, всякий раз, когда мы слышим, как пожарная сирена, приближаясь, завывает все выше, а удаляясь, понижает тон, мы имеем дело с этим эффектом. Если говорить о свете, то с приближением источника его излучение сдвигается в фиолетовую область спектра (фиолетовое смещение), а с удалением - в красную (красное смещение). Красные смещения галактик послужили Хабблу доказательством того, что далекие галактики разлетаются от нас. Эффект Доплера в электромагнитных спектрах до сих пор является одним из незаменимых инструментов астрономии.

Сняв спектры звезд во внешних частях Андромеды и измерив величину смещения, Рубин и Форд смогли посчитать скорость звездного вещества. Они определили, насколько быстро звезды на галактической окраине движутся вокруг центра притяжения. Затем ученые из Института Карнеги построили график: по вертикали отложили орбитальные скорости, а по горизонтали - расстояние от центра. Эта зависимость, называемая кривой вращения галактики, наглядно показывала, как на карусели Андромеды кружатся самые крайние ее части.

Как установил Кеплер еще несколько столетий назад, в астрономических объектах, в которых основная часть массы сосредоточена в центре (пример - Солнечная система), чем дальше тело от середины, тем меньше его скорость. Внешние планеты движутся по своим орбитам гораздо медленнее, чем внутренние. Меркурий мелькает около Солнца со скоростью около 50 км/с, в то время как Нептун еле-еле ползет - примерно 5,5 км/с. Причина проста: солнечное притяжение быстро убывает с радиусом, а масса, которая бы могла повлиять на скорости планет, во внешних частях Солнечной системы отсутствует.

Раньше думали, что в спиральных галактиках, наподобие Млечного Пути, вещество распределено так же компактно. В наблюдениях видно: плотнее всего звезды населяют центральную часть галактик и образуют шаровидную структуру (астрономы говорят «балдж»). Спиральные рукава и ореол, окутывающий галактический диск, наоборот, выглядят разреженными и эфемерными. Но первое впечатление обманчиво.

Строя кривую вращения Андромеды, Рубин и Форд твердо были уверены, что, как в Солнечной системе, на больших расстояниях скорости будут падать. Но вместо этого график выходил на прямую линию, чем ученые были изрядно озадачены. На месте горного склона оказалось ровное плато. Плоская форма профиля скорости означала, что на самом деле масса простирается далеко за пределы наблюдаемой структуры. Нечто скрытое от наших глаз оказывает ощутимое воздействие на те области, где гравитация, по нашим представлениям, должна быть исчезающе малой.