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

Фриц Цвикки — блестящий, изобретательный и раздражительный — стал первым, кто сослался на темную материю в своей работе в 1933 г. Он зарегистрировал движения галактик в близлежащем их скоплении в созвездии Волосы Вероники (скопление Кома) в надежде, что сможет вычислить их массу. Сегодня мы знаем, что скопления — одни из наиболее массивных структур во Вселенной. Все скопления, включая Волосы Вероники, состоят из более тысячи галактик, которые вращаются с гигантской скоростью и удерживаются вместе силой гравитации. Цвикки подробно изучил движение восьми ярчайших галактик в созвездии Волосы Вероники с помощью спектрографа на 100-дюймовом телескопе в той же обсерватории Маунт-Вилсон, где Хаббл открыл расширяющуюся Вселенную. Цвикки обнаружил, что все галактики в скоплении вращаются куда быстрее, чем должны по прогнозам, если брать во внимание только притяжение видимых звезд. Его данные показали, что скорость этих галактик равна примерно 3 млн км/ч, и это подразумевает, что масса в скоплении в 400 раз более плотная, чем можно ожидать. Он опубликовал эти результаты в 1933 г. в своей работе, которая утверждает, что в звездном скоплении в созвездии Волосы Вероники, как и во всей Вселенной при ее расширении, должен присутствовать невидимый и неявный компонент — dunkle materie, или темная материя, чья масса, видимо, отвечает за такие высокие скорости.

В этой работе Цвикки выдвигает следующее предположение: «Если это [повышенная плотность] подтвердится, нам придется сделать ошеломительный вывод о наличии [в звездном скоплении в созвездии Волосы Вероники] темной материи с куда большей плотностью, чем у светящейся материи». В заключение он пишет о том, что «большая дисперсия скоростей в скоплении в созвездии Волосы Вероники (и в других скоплениях галактик) представляет собой нерешенную проблему» {4} .

Выводы Цвикки явно основываются на измерении основного количественного показателя — соотношения массы и света, которое зависит от постоянной Хаббла. Мы помним, что постоянная Хаббла соотносит скорость с расстояниями по закону Хаббла (как мы видели в главе 2) и позволяет оценить возраст Вселенной. Соотношение массы и света представляет собой число, описывающее весь свет, произведенный совокупностью звезд относительно их массы. В 1933 г. Цвикки не осмелился оспорить значение постоянной Хаббла или снизить коэффициент массы к свету для урегулирования несоответствия между массой, необходимой для обоснования движения в скоплении галактик в созвездии Волосы Вероники, и тем, что он видел. Ссылка на темную материю была единственным решением.

В 1936 г., спустя три года после того, как Цвикки опубликовал свою работу, Синклер Смит привел аналогичные аргументы относительно невидимого компонента массы в другом соседнем скоплении — в созвездии Девы. Смит предположил, что недостающая масса может скрываться в пустотах скопления между туманностями. И даже после второй подобной работы, посвященной обоснованию темной материи в скоплениях, данная концепция не привлекла особого внимания {5} .

Если учитывать высокое положение Цвикки и приписываемые ему многие фундаментальные открытия, удивительно, что эти первичные выводы остались незамеченными в астрономическом сообществе. Возможно, отчасти по причине его характера развитие вопроса темной материи остановилось на несколько десятилетий, и только в 1970 г. идея была реанимирована в рамках обоснования проблемы совершенно иных масштабов — скоростей звезд внутри галактики {6} . Спустя 40 лет после появления работы Цвикки, в которой он сообщал о своем открытии, астрономы Вера Рубин и Кент Форд по счастливой случайности заново открыли темную материю, рассчитывая массы отдельных спиральных галактик. Они работали, используя измеренную скорость движения звезд, которую вычислили, разделяя их свет с помощью спектрографа с электронно-оптическим преобразователем, и затем наблюдая за красным и синим смещением спектров. Работа Рубин и Форда не предусматривала поисков темной материи — они искали доказательства вращения спиральных галактик. Но в данных ученые обнаружили нечто нелогичное. Движение звезд в спиральных галактиках показывало, что звезды находились под влиянием куда более мощного гравитационного притяжения, — и, как следствие, двигались куда быстрее, чем можно было предположить на основании исключительно видимой массы звезд и газа в галактиках. С точки зрения Рубин и Форда, речь снова шла о месте преступления без самого тела. Так как они занимались галактиками, то не установили связь между недостающей массой, которая им требовалась для обоснования скоростей звезд, и упомянутой Цвикки dunkle materie в скоплениях. Как мы уже видели, принять новые идеи не так просто; историк науки Дерек де Солла Прайс отмечает: «Возможно, даже лучше, что многие важные открытия должны совершаться дважды или трижды независимо друг от друга и слегка по-разному». Именно так и произошло с открытием темной материи {7} . Осознание того, что одна и та же неуловимая темная материя может решить сразу две загадки на двух совершенно различных физических уровнях, должно было основываться на теории.