Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

  
2.7. Вера Рубин и темные галактики
 
Иногда может показаться, будто предметы вращаются. Так и есть. Земля вращается как вокруг собственной оси, так и вокруг Солнца. Солнце и Солнечная система обращаются вокруг центра Млечного Пути — как и миллиарды других звезд нашей галактики. Млечный Путь — лишь одна из мириад вращающихся галактик. А вращающиеся галактики как раз и стали для Веры Рубин (1928–2016) предметом изучения.
Неспроста же Веру Рубин ежегодно упоминали как одного из самых ярких кандидатов на Нобелевскую премию по физике. Ее исследования в области движения звезд по галактикам являются, пожалуй, самой важной исторической вехой в нашем понимании темной материи. Благодаря серии точных измерений скорости движения звезд, она заметила не только то, что отдельные галактики, вероятно, содержат большие количества темной материи, но и то, что темная материя ведет себя совсем по-другому.
Было совсем не очевидно, что Вера Рубин (урожденная Купер) станет астрономом. И дело не в отсутствии таланта или заинтересованности — просто она была женщиной. Ей, например, отказывали в аспирантуре на физическом факультете в Принстонском университете, так как вплоть до 1975 года университет не принимал женщин на такие учебные программы. Рубин не раз сталкивалась с тем, что ее не воспринимали всерьез — представить себе это несложно. В те времена какой-нибудь учитель старшей школы вполне мог ляпнуть, что главное — держаться подальше от науки, и тогда жизнь у нее сложится, а какой-нибудь любитель давать советы, услышав про интерес к астрономии и искусству, предложил бы ей рисовать что-то в космической тематике. В начале карьеры результаты исследований Рубин, очевидно, воспринимались с большим недоверием, чем результаты большинства ее коллег-мужчин.
Вера Рубин изучает фотопластинки с изображениями галактик (примерно 1970 г.).
К счастью, Вера не отличалась заниженной самооценкой и не зацикливалась на мнении окружающих. От астрономии она отказываться не собиралась, а до получения докторской степени ее научными руководителями были такие выдающиеся ученые, как Ричард Фейнман, Ханс Бете и Георгий Гамов. Но как только она приступила к работе в Вашингтоне, невероятные результаты стали появляться один за другим. Впрочем, случилось это только в 1970-х годах.
Галактическая карусель из глазуньи
Если скопление Кома и открытия Цвикки доказывают существование темной материи в скоплениях галактик, то теперь мы направимся в одну из вращающихся галактик, то есть сделаем большой шаг в сторону нашей собственной Солнечной системы. Давайте тогда поближе рассмотрим Млечный Путь — ту самую Галактику, в которой мы живем.
Мы уже представляли размер Млечного Пути в нашей модели с Солнцем — кокосовым орехом, где уменьшенная Галак гика будет соответствовать половине реального расстояния между Землей и Солнцем, а это немало. А еще мы помним, что за секунду свет более семи раз облетает Землю. Для преодоления расстояния между Землей и Солнцем свету потребуется более восьми минут, а путешествие вспышки света сквозь Млечный Путь займет более 100 000 лет. Получается, диаметр нашей Галактики —100 000 световых лет.
Наша галактика похожа на две яичницы-глазуньи, плоские части которых склеены. Солнце находится в рукаве спирали в «белке», примерно в 30 000 световых лет от центра.
В голову мне не приходит ни единого объекта из повседневной жизни, чья форма напоминала бы форму Млечного Пути. Однако если подстегнуть воображение, то можно сравнить Млечный Путь с двумя глазуньями, одна из которых перевернута и лежит под первой. Два желтка в середине образуют почти сферический центр нашей двойной глазуньи, а вокруг — яичный белок дискообразной формы.
 
Наша Галактика имеет такую структуру: в центре выпирает сферический комок диаметром около 20 000 световых лет. Вокруг сферического центра расположена дискообразная структура, толщина которой составляет всего несколько тысяч световых лет, а расстояние от края до края — примерно 100 000 световых лет. У нашего диска спиральная структура. Поэтому Млечный Путь считается спиральной галактикой и, как и другие галактики этого типа, вращается.
Солнце мчится вокруг центра Млечного Пути со скоростью более 200 километров в секунду, и даже при этом замыкает круг за целых 240 миллионов лет. Наша Солнечная система расположена довольно неприметно в спиральном рукаве галактического диска, чуть меньше, чем в 30 000 световых лет от центра Млечного Пути. На рисунке изображена галактика, очень похожая на Млечный Путь.
Спиральная галактика NGC 6744. Предполагается, что Млечный Путь выглядит примерно так. Солнечная система находится в одном из галактических рукавов, приблизительно на половине пути от центра галактики. Эти многочисленные яркие точки — звезды из других галактик, находящихся на переднем плане.
О звездах и резиновых уточках
Отправной точкой для открытия Рубин стали наблюдения за движением звезд Млечного Пути. Мы уже поняли, что наша Галактика вращается вокруг центра, но существует много способов вращения. Для твердого тела, велосипедного колеса, например, каждой части потребуется одинаковое время для завершения оборота. Если произвольная точка на шине проходит оборот за секунду, то точке внутри спицы тоже понадобится секунда. Млечный Путь вращается по-другому. Уже в конце 1920-х годов при измерении движения звезд в галактическом диске на разных расстояниях от центра Млечного Пути было обнаружено, что Галактике присуще так называемое дифференциальное вращение. Иначе говоря, правильнее будет сравнить Млечный Путь с резиновыми уточками, а не с колесом велосипеда. Резиновыми уточками?! Да-да. Вспомните тот небольшой водоворот, который возникает, когда вынимаешь пробку из ванны. Если вы посадите утиное семейство вокруг водоворота, то увидите, что наиболее близкие к центру уточки вращаются быстрее более отдаленных. Похожим образом дело обстоит и со звездами Млечного Пути: звезды на разных расстояниях от центра Галактики движутся с разными скоростями.
Я очень хорошо помню карусель из своего детства. Не цирковая карусель с картинки, а небольшой кружок, на который мы становились и разгонялись, крепко держась за поручни. Чем быстрее мы крутились, тем сложнее становилось удержаться. Ты буквально чувствовал, как увеличение скорости приводит к усилению центробежной силы.
(Центробежная сила не является «реальной» физической силой; это просто «ощутимая из-за ускоренного движения сила», но ощутимая сила в нашей ситуации — это уже неплохо.)
Звезды Млечного Пути ощущают ту же центробежную силу, и чем быстрее они вращаются, тем сложнее им удержаться в Галактике и не вылететь наружу, как неуклюжему младшему брату с карусели на площадке. Но что же удерживает звезды? Ну конечно! Это наш старый добрый друг — гравитация.
А что, если звезды вращаются слишком быстро?
Для движения звезды по круговой орбите внутри Галактики необходим идеальный баланс между центробежными силами, которые тянут звезду наружу, и гравитационными силами, которые тянут ее внутрь. Если измерить скорость вращения звезд, то можно рассчитать гравитационные силы, необходимые для их удержания. И если мы знаем, насколько велики гравитационные силы, то уже в состоянии прикинуть, сколько материи потребуется для их создания. Получается, что скорость движения звезд — своеобразный показатель количества вещества в Галактике.