Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

Другой пример — предсказание Цвикки существования нейтронных звезд. Нейтронные звезды — это класс чрезвычайно компактных звезд, которые остаются после смерти обычных массивных звезд. Нейтронная звезда настолько сильно сжата, что небольшая бутылка из-под газировки с нейтронным веществом будет весить столько же, сколько вся вода в Мьёсе — глубочайшем озере Норвегии. Чтобы предсказать существование нейтронных звезд, настолько необычного класса объектов, что они отправляют весь здравый смысл в нокаут, необходим необычный и непредвзятый подход к исследованиям. Именно он и стал визитной карточкой Цвикки. Сегодня о существовании нейтронных звезд мы знаем, по крайней мере, благодаря излучаемым ими радиоволнам, так что и в этом Цвикки оказался прав.
Несмотря на консульский опыт своего отца, Фриц Цвикки вряд ли стал бы хорошим дипломатом: обходительностью он не отличался, зато честным был до жестокости и даже прославился колкими и нелестными характеристиками своих коллег. Самый известный пример — это прозвище «сферические ублюдки», которым Цвикки окрестил коллег-астрономов, а объяснял он свою логику так: «…на них с какой стороны ни посмотри — они ублюдки». Цвикки нечасто получал от коллег рождественские открытки, и этот факт, видимо, помешал ему прославиться еще сильнее, хотя вклад в науку он внес неоценимый.
Вращающиеся галактики в скоплении Кома
Революционное открытие темной материи Цвикки вылилось из скрупулезного наблюдения за скоплением Кома в созвездии Волосы Вероники — одним из ближайших к нам крупных скоплений галактик. Оно состоит из пары тысяч галактик и растягивается примерно на пятнадцать миллионов световых лет.
Центральная часть скопления Кома. Картинка создана благодаря космическому телескопу «Спитцер» и «Слоуневскому цифровому небесному обзору».
Звучит внушительно. Но если мы попытаемся представить эти пятнадцать миллионов световых лет в перспективе, то в космических масштабах получится не очень много. Не больше размера 150 расположенных рядом Млечных Путей. А внутри этой области несколько тысяч галактик. Получается, что располагаются они довольно тесно, а значит, зависят от гравитационных сил друг друга. Это взаимное влияние и удерживает галактики вместе. Цвикки изучал, каким образом гравитационные силы в скоплениях влияют на движение самих галактик.
Я уже сравнивал скопление галактик с роем комаров. И в скоплении Кома галактики хаотично летают во всевозможных направлениях, совсем как комары. Отдельная галактика вполне может отдаляться от центра скопления с огромной скоростью, но гравитационные силы других галактик все равно окажутся сильнее, так что в конце концов она развернется и двинется внутрь. Поэтому скопление и не распадается.
Похожее явление наблюдается, когда подбрасываешь вверх камень. Теоретически камень можно подбросить с такой силой, что он улетит в космос и рано или поздно покинет Солнечную систему. На практике же это невозможно, ведь сила притяжения Земли не позволит ему настолько отдалиться. Но, допустим, что мы перенесем камень на меньшее небесное тело, например, на комету со странным названием 67Р/Чурюмова — Герасименко, которую в 2014 году исследовал космический аппарат «Розетта». Масса этой кометы в разы меньше, чем у Земли, поэтому и сила притяжения слабее. Подбрось мы камень там — и скорости в 2 км/час вполне хватило бы, чтобы он навсегда покинул комету.
Таким образом, скорость, с которой камень способен двигаться, не улетая, зависит от массы тела, откуда этот самый камень брошен. Чем массивнее тело, тем быстрее камень двигается, не рискуя исчезнуть. То же самое происходит с галактиками, движущимися в скоплении. Там за гравитацию уже отвечает не Земля или комета, а суммарная масса всех остальных галактик. Если мы измерим, насколько быстро галактики движутся, при этом не разлетаясь, то сможем узнать массу всего скопления.
 
Но можно добиться и большего. Вернемся к камню, который мы подбрасывали вверх. Не нужно быть гением в этом нехитром деле, чтобы заметить взаимосвязь между скоростью броска и высотой. Если начальная скорость камня — 30 км/час, то он поднимется в воздух на три с половиной метра и лишь затем начнет падать. Но и высота, на которую взлетит камень, зависит опять же от мощности гравитации. Если бросить камень с той же скоростью, стоя на поверхности Луны, он сможет подняться более чем на 20 метров. Если однажды утром вы вдруг проснетесь на неизвестном небесном теле, то подбросьте камень вверх со скоростью 30 км/час и измерьте расстояние до верхней точки. Измерение можно использовать при определении силы гравитации, а эти данные, в свою очередь, пригодятся для вычисления массы небесного тела.
Метод, которым пользовался Цвикки для определения массы скопления Кома, не сильно отличается. Понятное дело, в похожем на комариный рой скоплении галактик вряд ли найдется место, откуда удастся измерить высоту при помощи камня, но вместо этого Цвикки измерил радиус скопления галактик. Сравнивая скорости галактик (вместо скорости камня) с радиусом скопления галактик (вместо высоты), он рассчитал массу скопления. Этот расчет основывался исключительно на данных о силе гравитации скопления, независимо от его свечения. Кроме того, Цвикки измерил доходящий до нас от скопления Кома свет и использовал это для определения количества видимой светящейся в нем материи. Затем он сравнивал две вычисленных массы, основанные на гравитации и на светимости звезд. Результат превзошел все ожидания.
Согласно полученным Цвикки данным, количество материи, влияющей на гравитационные силы, в несколько сотен раз превышает количество светящейся массы. Ученый пришел к выводу, что скопление содержит большое количество субстанции, которую он по-немецки назвал dunkle Materie (Темная материя). Из расчетов Цвикки следует, что темная материя составляет более 99 процентов скопления, а обычная видимая материя — меньше одного процента.
Сегодня, более 80 лет спустя, Цвикки по-прежнему прав: в скоплении Кома содержится очень много темной энергии. Однако мнение о ее количестве существенно изменилось: если Цвикки считал, что темная материя составляет более 99 процентов, то сегодня мы, скорее, склоняемся к 90 процентам. В связи с расширением наших знаний о Вселенной, выяснилось, что и видимого вещества там вдвое больше. Таким образом, заключение Цвикки было качественно правильным, но количественно далеким от истины. В чем же ошибся Цвикки?
Никакой грубой ошибки ни в вычислениях, ни в методе ученый не допустил. Но для преобразования полученных величин в физическую массу Кома необходимо знать расстояние от нас до скопления. Проблема заключается в том, что в 1930-х годах расстояние до скопления Кома считалось относительно небольшим. Вот представьте, что вы в горах и видите свет от костра в километре от вас. Из-за расстояния свечение будет неярким, хотя костер, возможно, порядочный. Но если вы ошибочно решите, будто костер всего в ста метрах, то он покажется вам маленьким из-за блеклого света. Примерно то же самое произошло и с Цвикки. Он думал, что смотрит на относительно близкие галактики, и поэтому предположил, что свет тусклый, а значит, излучающего свет вещества в галактиках мало. На самом же деле, причиной тусклого света было намного большее расстояние, нежели думал Цвикки.
Чему нас учит история Цвикки
Хоть Цвикки и знатно промахнулся с количеством темной материи в скоплении галактик Кома, проделанной им работой трудно не восхититься. Ведь ошибка заключалась в расчетах, а не в самом открытии. Он первым начал использовать новые астрономические методы, что и помогло прийти к этому заключению. К тому же такой невероятный результат не заставил его сомневаться в верности своих расчетов. Большинство людей на его месте подумали бы: «Вот черт, должно быть, где-то я ошибся», а потом начали бы подгонять методы и гипотезы под то, что изначально ожидали найти.