Казка про темну матерію темного космосу

Інші наукові казки Нік. Горькавого див. у «Науці і життя» № 11, 2010, № 12, 2010, № 1, 2011, № 2, 2011, № 3, 2011, № 4, 2011, № 5, 2011, № 6, 2011, № 9, 2011, № 11, 2011, № 6, 2012, № 7, 2012, № 8, 2012, № 9, 2012, № 12, 2012, № 2014, № 1, 2013, № 11 №, №

Астрофізик і письменник, популяризатор науки і наукової фантастики Микола Миколайович Горькавий задумав нову книгу наукових казок. Пропонуємо передплатникам журналу стати їх першими читачами.

Фріц Цвіккі — один з геніальних астрономів. Фото: Fritz Zwicky Foundation

— Ви помітили, що у великому місті, що щовечора потопає в електричних вогнях, зірок на небі майже не видно? — запитала принцеса Дзінтара у Галатеї та Андрія, які приготувалися слухати чергову вечірню казку.

— Звичайно, помітили, — відповіла Галатея.

А ось у степу, пустелі або біля моря — зовсім інша справа, — підхопив Андрій. — Там зоряна безодня відкривається до самого горизонту.

-Вірно. Ось і один з двох головних героїв сьогоднішньої казки народився біля моря. З самого дитинства він був зачарований зірками і став астрономом. Його звали Фріц Цвіккі. Хлопчик ріс на березі Чорного моря в Болгарії. Мати його була чешкою, батько — швейцарським бізнесменом. У шість років його відправили вчитися комерційній справі до Швейцарії, до бабусі і дідуся. Але Фріц був захоплений зірками. Він милувався ними і над Чорним морем, і над швейцарськими засніженими вершинами. Фріц почав вивчати не комерцію, а фізику і математику — спочатку в школі, потім в Цюріхському політехнічному інституті, до речі, в тому самому, де навчався Альберт Ейнштейн.

У 1925 році Фріц Цвіккі отримав стипендію і поїхав в Америку, в Каліфорнію, де розташовувалися Каліфорнійський технологічний університет і найбільші Маунт-Вілсонівська і Паломарська обсерваторії.

У наступні дванадцять років молодий вчений зробив стільки відкриттів, що увійшов до низки найбільших астрономів ХХ століття. Майже в кожному дослідженні він настільки випереджав свій час, що колеги не відразу розуміли, про що йде мова.

Місячний кратер Цвіккі діаметром 150 км має багатокутну форму. Фото: NASA/« Аполло-17 »

У 1934 році Фріц Цвіккі зробив важливе відкриття — пояснив механізм вибуху наднових зірок *. Він і його співавтор, німецький астроном Вальтер Бааде, припустили, що ядро масивної зірки стискається в щільну нейтронну кулю розміром всього лише з десяток кілометрів. При цьому виділяється так багато енергії, що зовнішня оболонка зірки розлітається в різні боки, випускаючи назовні потужне випромінювання, видиме на відстані в мільярди світлових років! А на місці вибуху залишається маленька нейтронна зірка. Через 33 роки передречення Цвіккі і Бааде про існування нейтронних зірок змогла підтвердити Джоселін Белл (див. «Казку про юну Джоселін Белл, пульсари і телеграму від зелених чоловічків», «Наука і життя» № 8, 2014 — Прим. ред.), яка відкрила в 1967 році пульсари — нейтронні зірки з сильним магнітним полем.

Фріц Цвіккі встановив своєрідний рекорд: він знайшов у небі 129 наднових зірок (до речі, і назву «наднові» теж придумав він). Наприкінці ХХ століття телескопи, забезпечені комп «ютерами, довели кількість відкритих наднових до багатьох тисяч. Американський фізик Кіп Торн назвав статтю Цвіккі — Бааде про наднові, нейтронні зірки і космічні промені «одним з найбільш пророчих документів в історії фізики та астрономії».

У 1937 році Цвіккі висловив ідею про гравітаційне лінзування на скупченнях галактик.

— А що це таке? — запитала Галатея.

— Ейнштейн передбачив, що світло зірки викривляється в гравітаційному полі Сонця. Астрономи стали цікавитися: чи можна помітити викривлення зоряного світла в полі іншої зірки? Розрахунки показали, що це дуже малоймовірно через «маленький» видимий розмір зірок. Цвіккі, знаючи, що скупчення галактик мають незрівнянно великі розміри, припустив, що світло далеких об’єктів може викривлятися на такого роду скупченнях. Його припущення отримало підтвердження в 1979 році. Але, на жаль, Цвіккі помер за кілька років до того, як це сталося. Зараз гравітаційне лінзування в скупченнях галактик — один з найбільш потужних методів дослідження Всесвіту.

Галактика NGC4911 зі скупчення Волоси Вероніки, на прикладі вивчення якого Ф. Цвіккі довів, що в космосі домінує темна матерія. Фото: NASA / ESA / Hubble Heritage Team (STcI / AURA)

Але найбільш грандіозним, інтригуючим відкриттям Цвіккі став доказ існування темної матерії. У 1933 році він опублікував дослідження швидкостей галактик у зоряному скупченні, яке має назву Волосся Вероніки (друга назва — скупчення Кома). Знаючи швидкості руху окремих галактик, він вирахував масу всього скупчення.

— А як він це зробив? — запитав невгамовний Андрій.

— Будь-який хлопчик, начебто тебе, кидаючи камінь вгору (або краще в колодязь, щоб випадково ні в кого не потрапити), може вирахувати масу Землі, вимірявши час падіння каменю.

Галатея посміхнулася:

— Я не знаю жодного хлопчика, який би заміряв час польоту каменю. Вони їх просто кидають — і все.

— Тому мало хто з них стає науковцем. Вирахувавши загальну масу галактичного скупчення Коми, Цвіккі оцінив її другим способом — просто підрахував кількість галактик у скупченні і помножив його на типову масу галактики. Виявилося, що сумарна маса видимих галактик в сотні разів менша, ніж маса скупчення, знайдена з обчислень, заснованих на швидкостях руху галактик. Це означає, що основна маса речовини в скупченні Волоси Вероніки залишається невидимою для спостерігача. Але що це таке темна матерія? До Цвіккі такі астрономи, як Джеймс Джинс, Якобус Каптейн і Ян Оорт, вивчали можливість наявності в нашій Галактиці темної матерії. Але тільки після відкриття Цвіккі існування невидимої складової космосу можна було вважати доведеним.

Галактичне скупчення Кулі виникло при зіткненні двох скупчень. Газ у сузір’ях загальмувався при зіткненні, а темна матерія полетіла без перешкод далі. Червоним кольором показано випромінювання газу, який становить основну частину баріонної маси (складається з протонів і нейтронів) скупчення. Синім кольором показано розподіл невидимої маси, визначеної за гравітаційним лінзуванням. Таким чином, тяготіє маса не збігається з баріонною. Оптичне фото: NASA / STScI / ESO WFI / CXC / CfA

Підтвердити існування феномена темної матерії і привернути до нього загальну увагу змогла друга героїня нашої казки — маленька американська дівчинка, дочка іммігрантів з Литви та Молдови Віра Рубін, якій у 1933 році було всього п’ять років. З самого раннього дитинства вона вміла ставити питання, які ставили дорослих у глухий кут. Наприклад, якось раз вона їхала з батьками на автомобілі, дивилася у вікно і раптом сказала:

— Чому Місяць летить туди ж, куди ми їдемо? Дерева і пагорби спливають назад, а Місяць рухається разом з нами. Як вона дізналася, що ми їдемо додому?

Дослідник темної матерії Віра Рубін. Інститут Карнегі у Вашингтоні. 1974 рік. Фото: Carnegie Science

Віра отримала задоволення від того, що змогла поставити таке чудове запитання, хоча й не запам «ятала, що відповіли їй батьки. Після цього випадку вона вирішила, що питання завжди цікавіше відповідей і що їй пощастило — вона живе в цікавому зі світів.

Ми теж у ньому живемо і теж знаємо, який він цікавий! — вставила Галатея.

— Коли дорослій десятирічній Вірі не спалося, — продовжувала Дзінтара, — вона стежила в віконце своєї крихітної спальні за рухом зірок Північним небосхилом. Вони водили хоровод навколо Полярної зірки, а та нерухомо висіла на небі як приклеєна, відчуваючи себе центром обертання світу. Дівчинка дивилася на рухомі зірки і мріяла дізнатися про їхні таємниці побільше.

Дитячі мрії збуваються нечасто, але в даному випадку це сталося. Віра виросла і почала вивчати рух зірок, правда, не навколо Полярної зірки (адже це всього лише уявний рух, викликаний обертанням Землі навколо своєї осі), а навколо центру галактик. Вона стала блискучим розшифровником зоряних спектрів. У середині 1960-х років Віру запросили спостерігати за зірками на телескопах Паломарської обсерваторії. Вона стала першою жінкою, удостоєною цієї честі.

— Як це першою? — не зрозуміла Галатея.

— До 70-х років ХХ століття спостереження на великих телескопах у Каліфорнії, та й в інших обсерваторіях, вели тільки чоловіки. Зруйнувати цю обурливу традицію змогла Віра. Разом зі своїм співавтором астрономом Кентом Фордом вона досліджувала рух зірок навколо галактичних центрів. Тема була, безумовно, важлива, але не обіцяла будь-яких великих відкриттів. Результати, отримані Вірою Рубін, виявилися сенсаційними: зірки, замість того щоб рухатися відповідно до закону Кеплера, тобто зменшувати свою швидкість зі збільшенням відстані до галактичного центру, рухалися приблизно з однаковою швидкістю на різних відстанях від нього. Немов кожну галактику обіймала масивна хмара темної матерії, яка важила набагато більше зоряного диска галактик і змушувала зірки рухатися набагато швидше, ніж їм належалося виходячи з маси зоряного диска.

Закон Кеплера — закон, сформульований Йоганном Кеплером (1571-1630), згідно з яким швидкість обертання планет падає зі збільшенням відстані від Сонця. Збільшення відстані в чотири рази викликає зменшення швидкості обертання в два рази.

Коли вчені переконалися в справедливості результатів Рубін — Форда, почалися інтенсивні спостереження і теоретичні дослідження природи темної матерії. Логічно було б припустити, що астрономи пропустили в космосі якісь невидимі об’єкти, наприклад такі зірки, як коричневі карлики — розміром з Юпітер, але масою в десятки разів більше, ніж у нього. Дійсно, спільними зусиллями астрономів за допомогою космічних телескопів було відкрито величезну кількість таких зірок. Вони виявилися найчисленнішою зоряною складовою Чумацького Шляху. Але навіть їх маси було недостатньо для збільшення маси нашої Галактики до потрібних розмірів. До цього моменту вчені вже виявили і міжгалактичні холодні хмари, температурою близько 0 Кельвіна, що складаються з водню і гелію. Вони були прозорі для світла зірок; лише спектральні лінії, які «вигризав» міжгалактичний водень у зоряних спектрах, видавали їх присутність. Маса цих хмар у скупченнях галактик виявилася в десять разів більшою, ніж маса всіх зірок. Але і цього було недостатньо, щоб пояснити результат, отриманий Цвіккі.

Криві обертання двох десятків галактик. Червоною лінією показано очікувану поведінку кривої обертання відповідно до закону Кеплера. Криві, що спостерігаються, не показують такої поведінки. (Статті В. Рубін, К. Форд, Н. Тоннард, 1980 рік. — Прим. авт.)

— Можливо, темна матерія складається з крихітних, розміром всього в кілька кілометрів, але дуже масивних об’єктів, таких як нейтронні зірки і чорні діри зоряних мас? — запитав зі знанням справи Андрій.

Обкладинка книги Віри Рубін «Яскраві галактики. Темна матерія «, опублікованій 1997 року

— Астрономи розробили спеціальну спостережну програму для пошуку таких об’єктів, — пояснила Дзінтара, схвально кивнувши головою, — але після багаторічних спостережень вдалося встановити, що таких об’єктів зоряних мас занадто мало для пояснення загадки темної матерії.

Тоді, можливо, темна матерія складається з елементарних частинок, яких дуже-дуже багато? — теж зважилася внести своє припущення Галатея.

— Так, вірно. Найбільш перспективним кандидатом на роль темної матерії виявилися нейтрино — крихітні частинки, появу яких передбачив у 1930 році швейцарський фізик-теоретик Вольфганг Паулі, а відкрили їх чверть століття потому. Нейтрино навколо нас дуже багато, наприклад, через людське око кожну секунду пролітають сотні мільярдів нейтрино, народжених на Сонці…

— Замахала руками Галатея, як би відганяючи всюдисущі нейтрино. Дзінтара і Андрій засміялися разом з нею.

— Вони так слабо взаємодіють з речовиною, — продовжила Дзінтара, — що проходять крізь нашу Землю і крізь людину, як світло крізь прозоре скло. Але маса нейтрино виявилася такою крихітною, що істотно вплинути на масу Всесвіту елементарна частинка виявилася не в змозі. Більш того, коли вчені спробували розрахувати, якими швидкостями повинні володіти частинки темної матерії, щоб вони могли пояснити спостережуване обертання і структуру галактики, то виявилося, що частинки повинні рухатися повільно, тобто темна матерія повинна бути «холодною». «Гарячі» нейтрино, які рухаються майже зі швидкістю світла, на роль такої «холодної» матерії ніяк не годилися.

Фізики назвали гіпотетичні невловимі частинки темної матерії слабко взаємодіючими масивними частинками (СВМЧ) і почали шукати їх всюди. Вони проводили експерименти на Великому адронному колайдері в Європі, запускали детектори частинок на повітряних кулях над Антарктидою. У різних країнах організували близько десятка підземних лабораторій, які спускали багатотонні детектори частинок у шахти на глибини до двох кілометрів, сподіваючись зареєструвати там СВМЧ. Але нічого не виходило. Тоді детектори почали запускати в космос — як на окремих супутниках, так і в якості приладів на Міжнародній космічній станції, де для пошуку частинок темної матерії встановлено бочкоподібний пристрій вартістю два мільярди доларів.

Бочкоподібний магнітний спектрометр, доставлений шатлом на Міжнародну космічну станцію в 2011 році для пошуку частинок темної матерії (на фото вказаний стрілкою). Його вага майже 7 т; вартість 2 млрд доларів. Фото: NASA

— Ну і зловила «бочка» ці частинки? — нетерпляче запитала Галатея.

— Ні, — похитала головою Дзінтара, — СВМЧ все ще залишаються невловимими. У прагненні зловити їх виникла ідея, що зібрала чимало прихильників, — змінити закони гравітації, які діють в масштабах Галактики і всього Всесвіту. Це дозволить обійтися без темної матерії, але ціна такого рішення велика: доведеться відмовитися від перевіреної і красивої теорії Ейнштейна — Ньютона.

У 2015 році в гравітаційно-хвильовій обсерваторії в Хенфорді (штат Вашингтон, США) в рамках проекту LIGO фактор гравітаційних хвиль зловив першу в історії гравітаційну хвилю від злиття двох чорних дір масою в 29 і 36 мас Сонця. Результат вразив вчених: виявилося, що в космосі існує багато чорних дір набагато важчих, ніж звичайні діри зоряних мас! Відразу виникло припущення, що темна матерія — це велика кількість чорних дір в десятки мас Сонця. Але звідки взялися такі масивні чорні діри, адже звичайні моделі зоряної еволюції їх не пророкують? З’явилася смілива гіпотеза, що чорні діри прийшли до нас з попереднього циклу Всесвіту, тому що вони — єдині макроскопічні об’єкти, які можуть пережити колапс світу і, пройшовши через вогняну фазу максимально стисненого Всесвіту, потрапити в наступний цикл її життя.

— Значить, темна матерія, якої, як ти сказала, в п’ять-шість разів більше, ніж звичайного газу і зірок, все ще залишається загадкою, яку належить вирішити вченим майбутнього? — спробував уточнити Андрій.

— Так. Чи це чорні діри? Чи це елементарні частинки? Безсумнівно, до середини XXI століття загадка буде вирішена.

Віра Рубін була незалежним дослідником. Майже все життя вона пропрацювала в невеликому приватному інституті Карнегі, розташованому в парковій зоні американської столиці. Її роботи часто зустрічали нерозуміння в астрономічному співтоваристві. Але наприкінці ХХ століття темна матерія, яку 1933 року Фріц Цвіккі знайшов у скупченнях галактик, а Віра Рубін і Кент Форд у 1970-х виявили всередині окремих галактик, стала областю найактивніших досліджень. На початку XXI століття нею займалися вже тисячі вчених. Це дивно, але ні Фріц Цвіккі, ні Віра Рубін не отримали Нобелівських премій, хоча за роботи з цієї теми їх вручали чотири рази іншим вченим.

Канадсько-британський детектор частинок темної матерії DEAP-3600, який використовує 3,6 т рідкого аргону. Планується побудувати поліпшений детектор, що використовує 50 т аргону. Фото: Марк Ворд/W

Віра Рубін не тільки розгадувала космічні загадки, а й роздумувала над проблемами майбутнього:

«Які завдання будуть вирішувати астрономи надалі? Якими питаннями будуть задаватися астрономи Всесвіту через сто років, через тисячу років? Який вік Всесвіту? Яка швидкість розширення Всесвіту? Яка маса всесвіту? Чи є у найближчих зірок планети, на яких зародилося життя і розум? Чи достатньо вони близькі до нас, щоб ми могли встановити з ними зв’язок в осяжному часі… Є ще проблеми, про які ми знаємо так мало, що насилу можемо сформулювати потрібні питання. Ось дуже приблизний їх список: чи існують інші всесвіти, чи ми будемо коли-небудь спілкуватися з ними, як зміниться наше уявлення про Всесвіт при виявленні гравітонів? Коли ми дивимося у Всесвіт, ми дивимося в наше минуле, але наші «очі» слабкі, і ми ще не можемо проникнути поглядом на великі відстані. Загадки краю Всесвіту перевершують наше розуміння. Як колумби або вікінги, ми заглянули в новий світ і побачили, що він загадковіший і складніший, ніж ми собі уявляли. Найбільші загадки Всесвіту залишаються невирішеними. Вони стануть пригодами для вчених майбутнього. Мені це подобається».

Звертаючись до молоді, Віра Рубін сказала:

«Для тих з вас, хто хоче бути вченим, у мене є одна порада. Не здавайтеся! Кожен з вас повинен вірити в те, що ви можете досягти успіху. Сьогодні може здатися неймовірним, але серед вас немає нікого, хто не міг би внести важливий, значний внесок у світ науки. Наука ревнива, агресивна, вимоглива. Але вона також чудова, надихає і окрилює. Кожен з вас може змінити світ, тому що ви складаєтеся з зоряної речовини і ви пов’язані зі Всесвітом «.

Вальтер Бааде (1893-1960) — німецький астроном, який працював у 1931-1958 роках у США. Разом з Ф. Цвіккі визначив наднові зірки як нову категорію астрономічних об’єктів і передбачив появу нейтронних зірок на місці вибуху наднових. Відкрив 10 астероїдів. На його честь названо астероїд номер 1501 і місячний кратер.

Джоселін Белл (р. 1943) — британський астроном. У 1967 році, будучи юною аспіранткою, відкрила пульсари. Нагороджена Королівською медаллю та іншими науковими нагородами.

Віра Рубін (1928-2016) — американський астрофізик. Досліджуючи швидкість обертання галактик, вона встановила, що зірки в галактиках, включаючи Чумацький Шлях, рухаються швидше, ніж дозволяє тяжіння видимої матерії, немов у галактиках міститься велика кількість невидимої речовини. Отримала безліч нагород за свої роботи, включаючи золоту медаль Королівського астрономічного товариства і премію Грубера з космології.

Кіп Торн (р. 1940) — американський фізик-гравітаціоніст, співавтор класичної монографії з теорії Ейнштейна і космології. Один з лідерів проекту LIGO, в результаті здійснення якого відкриті гравітаційні хвилі. Лауреат премій Грубера, Шао, Харвея і Кавлі.

Фріц Цвіккі (1898-1974) — швейцарський астроном, який народився у Варні (Болгарія) і майже все життя пропрацював у Каліфорнії (США). За роботи в галузі розробки реактивних двигунів у 1949 році отримав медаль Свободи від американського президента Трумена. За видатний внесок в астрономію і космологію в 1972 році порожня медаллю Королівського астрономічного товариства. На честь Ф. Цвіккі названо астероїд номер 1803 і місячний кратер діаметром 150 км.

^* Наднова — зірка, яка різко змінила свою яскравість в результаті вибуху з подальшим порівняно повільним загасанням спалаху.