Наша Вселенная не может быть описана одной лишь обычной материей. Работа Веры Рубин стала примером для подражания.
Спросите астрофизика, из чего состоит наша Вселенная, и вы, скорее всего, получите шокирующий сюрприз. В то время как все, что мы знаем и с чем взаимодействуем на Земле, состоит из одних и тех же обычных ингредиентов - протонов, нейтронов и электронов, из которых состоят атомы и остальная часть обычной материи, о которой мы знаем - Вселенная рассказывает совсем другую историю. Обычная материя составляет всего 5% Вселенной, а темная материя (27%) и темная энергия (68%) составляют подавляющее большинство того, что там находится.
Это не предубеждение или специальное исправление, которое было введено в действие, а научный вывод, сделанный на основе полного набора данных, которые мы собрали о Вселенной. Если это противоречит вашей интуиции, не волнуйтесь; вы не одиноки. Но наука, которая привела нас к такому выводу, неопровержима, и ее первооткрывателем стала одна из самых достойных ученых, никогда не получавших Нобелевской премии: Вера Рубин. Вот история, которую должен знать каждый.
Вера Рубин родилась 23 июля 1928 года: 91 год назад сегодня. Первоначальная идея темной материи возникла, когда ей еще не исполнилось пяти лет. Еще в 1933 году Фриц Цвикки изучал галактики скопления Волос: самого большого, богатого и массивного скопления галактик в пределах примерно 500 миллионов световых лет от Земли. Внутри скопления Волос находятся тысячи галактик, в центре которых находятся две гигантские эллиптические галактики.
Цвики обратил внимание на два важных измерения галактик внутри этого скопления.
- Сколько света исходило от этих галактик, что позволило ему оценить массу звезд в этих галактиках.
- Насколько быстро эти галактики двигались относительно центра скопления, что позволило ему сделать вывод о том, какая общая масса присутствовала во всем скоплении.
Если бы 100% массы были в форме звезд, эти два числа совпадали бы.
Но, как заметил Цвикки, они не только не совпадали, но даже не были близки. Согласно оригинальной работе Цвикки 1933 года, эти два числа различались в колоссальный раз ~ 160, при этом общая масса превышала массу, выведенную из звездного света, на эту огромную величину. Цвикки пошел дальше этого анализа и предположил, что для объяснения этого несоответствия должна существовать новая форма материи, которая не излучает и не поглощает свет: dunkle materie или темная материя..
Сказать, что никто не воспринял всерьез работу Цвикки, было бы грубым преуменьшением: его работа даже не цитировалась другим ученым до тех пор, пока не прошло 27 лет. Хотя его гипотеза о темной материи была не единственным возможным объяснением, она, безусловно, заслуживала внимания. Но из-за предубеждений и астрономических/астрофизических ограничений того времени идея темной материи просто не прижилась.
Работе Цвикки можно было привести несколько замечательных возражений. Во-первых, он предположил, что все звезды в среднем подобны нашему Солнцу и что отношение массы Солнца к светимости является хорошей оценкой отношения массы к светимости всех звезд. Однако это не так; среднее значение всех звезд дает отношение, которое примерно в три раза больше. Вместо расхождения 160 к 1 это сделало бы несоответствие 50 к 1.
Другое возражение заключается в том, что не вся наша обычная материя имеет форму звезд. Помимо планет, существуют также газовые облака, плазма, пыль, черные дыры, несостоявшиеся звезды и многие другие виды материи. Кто сказал, что несветящаяся обычная материя не может составлять 98% того, что есть снаружи? Хотя сегодня у нас может быть хорошо определено это значение (оно составляет около 13-17%), в 1933 году не исключалось, что Вселенная на 100% заполнена нормальной материей.
В 1960-х годах, однако, астрономическое оборудование и методы были достаточно усовершенствованы, чтобы ученые могли начать измерять скорость вращения отдельных галактик. Когда они это сделали, они заметили кое-что важное: величина массы, которую вы бы сделали для отдельных галактик, не могла приблизиться к объяснению движения отдельных галактик в большом скоплении, таком как Кома..
Этого было недостаточно, чтобы донести идею темной материи до мейнстрима, но этого было достаточно, чтобы предложить другой тест: измерить вращательное движение различных частей отдельной галактики. Спиральные галактики - как и наша - , как правило, имеют большую яркую центральную выпуклость и становятся тусклее по мере удаления от центра. Поскольку большая часть массы сосредоточена вблизи центра, можно ожидать, что внешние области будут вращаться медленнее, чем внутренние.
Мы видим это в нашей Солнечной системе. Наше Солнце составляет 99,8% массы нашей Солнечной системы, а это означает, что оно почти исключительно отвечает за определение орбит всех известных нам планет, астероидов, комет и объектов пояса Койпера. Меркурий, самая внутренняя планета, испытывает сильнейшее гравитационное притяжение и обращается вокруг Солнца со средней скоростью 48 км/с: более 100 000 миль в час.
Земля, с другой стороны, почти в три раза дальше, чем Меркурий, и вращается с гораздо меньшей средней скоростью: 30 км/с, или около 67 000 миль в час. Скорость планет продолжает уменьшаться по мере того, как вы движетесь наружу, а Нептун, самая медленная и самая удаленная планета, движется по орбите со средней скоростью всего 5,4 км/с: всего 12 000 миль в час.
Если бы галактики работали одинаково, можно было бы ожидать, что они найдут аналогию с нашей Солнечной системой, измеряя их внутреннее движение. Единственными факторами, определяющими орбитальную скорость связанного объекта, являются масса внутренней части орбиты и размер орбиты. В Солнечной системе скорости планет позволяют нам определить массу Солнца (поскольку мы знаем гравитационную постоянную G) и сделать вывод, что Солнце содержит 99,8% массы Солнечной системы.
В галактике должно быть много масс, но то, как распределяется свет, должно кое-что сказать о том, как распределяется масса. Это должно повлиять на скорости вращения на разных расстояниях от галактического центра. Это была проблема, на исследование которой Вера Рубин впервые нацелилась.
В своих ранних исследованиях с этой целью она начала измерять звезды в пределах нашего собственного Млечного Пути, пытаясь определить, как быстро они вращаются по орбите относительно галактического центра. Застряв внутри нашей собственной галактики, это сложное наблюдение! Внешний диск Млечного Пути лучше всего виден, если смотреть в сторону, противоположную галактическому центру, а это совершенно неправильное направление для измерения движения по линии прямой видимости, поскольку звезды должны вращаться вокруг галактического центра поперек. к нашей перспективе.
Неудивительно, что ее выводы - о том, что внешняя часть галактики имеет такие же скорости вращения, а не более низкую, по сравнению с внутренними областями Млечного Пути - , широко уволен. Но мнение массы астрономов ее не разубедило. Вооружившись совершенно новым спектрографом, Вера Рубин вместе с Кентом Фордом стремились точно измерить, как вращаются галактики.
Первой галактикой, на которую они обратили внимание еще в 1968 году, была Андромеда. Андромеда - ближайшая большая галактика к нашему Млечному Пути, занимающая целых три градуса на небе (примерно диаметр шести полных Лун). В 1880-х годах была сделана первая фотография Андромеды с длинной выдержкой, показывающая ее спиральную структуру. Находясь почти ребром к нам, это означает, что одна сторона должна казаться вращающейся к нам с нашей точки зрения, в то время как другая сторона должна казаться вращающейся в сторону от нашей прямой видимости.
И вот, Андромеда указала на тот же загадочный эффект, что и ее более ранние исследования Млечного Пути: внешние области галактики вращаются так же быстро, как и внутренние области. На протяжении 1970-х годов Рубин продолжала свою работу и распространила ее на множество галактик на самых разных расстояниях. Все они продемонстрировали один и тот же эффект: их кривые вращения не следовали той наивной зависимости, которую мы ожидали между массой и светом.
Это не было убедительным доказательством существования темной материи, на которое вы, возможно, надеялись, поскольку было много возможных объяснений одних только наблюдений Рубина. Однако вскоре после этого появились другие независимые доказательства, поддерживающие единую картину космологии. Нуклеосинтез Большого взрыва продемонстрировал, что только 5% всей Вселенной можно объяснить обычной материей; гравитационное линзирование и формирование крупномасштабных структур показали, что 25-30% Вселенной в целом представляет собой ту или иную форму материи.
Космический микроволновый фон показал, что соотношение между нормальной материей и темной материей составляет 1 к 5, и это было подтверждено обнаружением барионных акустических колебаний, которые дают ту же цифру. Цвикки вскоре после публикации исследования Рубина неожиданно оказался в мейнстриме: он был награжден Золотой медалью Королевского астрономического общества.
Сегодня вера в то, что темная материя в первую очередь управляет формированием космической структуры, почти универсальна, при этом нормальная материя внутри образует звезды и другие богатые коллапсирующие объекты.
Темная материя должна управлять формированием структуры во всех больших масштабах, при этом каждая галактика состоит из большого рассеянного ореола темной материи, которая гораздо менее плотна и более рассеяна, чем обычная материя. В то время как нормальная материя слипается и сгущается вместе, поскольку она может слипаться и взаимодействовать, темная материя просто проходит сквозь себя и нормальную материю. Без темной материи Вселенная не соответствовала бы нашим наблюдениям.
Но по-настоящему эта отрасль науки началась с революционной работы Веры Рубин. Хотя многие, в том числе и я, будут высмеивать Нобелевский комитет за пренебрежительное отношение к ее революционной науке, она действительно изменила Вселенную. В день, когда ей исполнился бы 91 год, вспомните ее собственными словами:
Не позволяйте никому угнетать вас по глупым причинам, например, из-за того, кто вы есть, и не беспокойтесь о призах и славе. Настоящая награда - найти что-то новое.
50 лет спустя мы все еще расследуем тайну, которую раскрыла Вера Рубин. Пусть всегда будет чему поучиться.