В 1970-х годах астроном Вера Рубин наблюдала за галактикой Андромеды и обнаружила нечто очень любопытное. Андромеда – спиральная галактика, как и наша собственная, и вращается подобно вертушке. “Вращение” состоит из того, что все отдельные звезды (а также газ и пыль, но звезды – это то, что мы можем видеть) вращаются вокруг всей массы в пределах своей орбиты. Если подсчитать, то по мере удаления от центра галактики звезды должны вращаться медленнее. Зависимость между расстоянием от центра галактики и скоростью каждой звезды называется кривой вращения галактики. Рубин и другие предсказали, что кривая должна линейно уменьшаться (после первоначального подъема из-за увеличения массы в центре галактики).
Однако Рубин обнаружил, что кривая вращения Андромеды сначала увеличивалась, как и ожидалось, но затем не уменьшалась с расстоянием, а оставалась практически неизменной. Это различие между прогнозом и наблюдениями было настоящей аномалией и требовало объяснения. Результаты были проверены на других крупных спиральных галактиках, и да, все они имеют плоские кривые вращения. Звезды на окраинах этих галактик, согласно Ньютону, должны улетать. Они движутся слишком быстро, чтобы их удерживала гравитация галактики, вокруг которой они вращаются.
Если не…
Возможно, в галактике больше массы, чем мы можем наблюдать. Существует материя, которая не излучает свет, как звезды, и даже не отражает и не светится от света звезд, как газовые облака. Должна быть материя, которую мы не можем видеть, какая-то темная материя. Сколько темной материи потребуется, чтобы объяснить наблюдаемые кривые вращения? Довольно много – примерно в шесть раз больше массы того вещества, которое мы можем видеть. Если это правда, то около 84% вещества во Вселенной составляет темная материя. И мы не знаем, что такое темная материя – мы не знаем, из чего состоит большая часть Вселенной.
Это замечательная научная история, которая принесла Вере Рубин место среди великих ученых (но, очевидно, не Нобелевскую премию). Но насколько мы уверены в том, что Темная материя является ответом на аномалию кривых вращения галактик? Другой подход к решению этой аномалии называется модифицированной ньютоновской динамикой, или MOND. Общая идея здесь заключается в том, что уравнения, используемые Рубином и другими, не являются настоящими гравитационными уравнениями (и здесь мы не имеем в виду общую теорию относительности), а являются приближениями. Они работают точно в масштабе солнечной системы, но в масштабе галактики крошечные коэффициенты в уравнениях становятся значимыми и могут объяснить кривые вращения галактик.
Итак, либо мы изобретаем новую форму материи, либо подтасовываем уравнения, чтобы заставить их работать. Оба подхода являются гипотезами, они оба предлагаются как способ разрешить то, чего мы не знаем, и частично являются аргументами от незнания. Для подтверждения любой из гипотез нам понадобятся положительные доказательства того, что она на самом деле верна. Если бы, например, мы обнаружили частицу темной материи со всеми необходимыми свойствами, это подтвердило бы гипотезу о темной материи. Для MOND это было бы сложно, потому что по определению это работает только в масштабах галактики, но, возможно, некоторые точные эксперименты могли бы подтвердить какую-либо конкретную теорию MOND.
Но также, при любом подходе, мы можем провести дополнительные наблюдения о том, как движется крупномасштабная Вселенная, и посмотреть, какой гипотезе это соответствует больше. Это уже произошло, и доказательства, связанные с темной материей, накапливаются. Пожалуй, самым впечатляющим доказательством является скопление пули. Это два скопления галактик в процессе столкновения. Галактики в основном представляют собой пустое пространство, поэтому звезды в основном просто проходят мимо друг друга, но взаимодействуют гравитационно. Газовые облака, однако, испытывают давление. Когда газ двух скоплений столкнулся, они значительно замедлились. Газ в этих скоплениях на самом деле составляет большую часть видимой массы. Итак, мы имеем дело с ситуацией, когда два скопления галактик сталкиваются, и большая часть видимой массы резко уменьшается в точке столкновения. Если темная материя реальна и ведет себя так, как мы думаем, то она должна была образоваться вместе со звездами.
Хотя мы не можем непосредственно наблюдать темную материю, мы можем видеть ее гравитацию, например, ее влияние на кривые вращения галактик. Мы также можем изучить гравитацию очень массивных объектов с помощью гравитационного линзирования, то есть искривления света под действием силы тяжести. Астрономы использовали гравитационное линзирование для отображения силы тяжести и, следовательно, массы скопления пуль – и большая часть массы просто продолжала двигаться, оставляя газ позади. Это является довольно убедительным подтверждением существования темной материи и ставит сторонников MOND перед серьезной проблемой.
Хотя это правда, что предполагается существование темной материи, и мы не подтвердили это напрямую, этот вывод очень убедителен и основан на многочисленных наблюдениях. На данный момент это также лучшее объяснение всех этих наблюдений. Но да, вопросительный знак стоит рядом с темной материей, пока мы на самом деле не обнаружим частицу темной материи. Именно поэтому это область активных исследований.
Тем не менее, новые теории продолжают появляться. Недавно один астроном предположил, что релятивистское смещение кадра может объяснить кривые вращения галактик. Однако до тех пор, пока эта гипотеза не сможет объяснить скопление Пуль, она, скорее всего, никуда не денется.
В качестве дополнительного замечания, я смог (в основном) решить возникший у меня вопрос о кривых вращения галактик. История, которую я рассказал выше, объясняет, почему кривые вращения отличаются от предсказанных без учета темной материи, и почему звезды движутся быстрее, чем должны были бы. Но я так и не понял, почему кривые были в основном плоскими. Это совпадение? Мне не нравятся подобные совпадения в науке, они вызывают у меня неприятное чувство, что мы (или, по крайней мере, я) что-то упускаем. Недавно Кен Вальчак, который работает в планетарии Адлера, предложил мне объяснение. Это связано с распределением Темной материи по галактикам и математическим эффектом, который она оказывает на кривые вращения. Если вы нанесете на карту кривые вращения гало темной материи, они будут плоскими в очень большом масштабе масс, а поскольку темная материя составляет большую часть вещества в галактике, кривая вращения галактики будет плоской. Другой способ взглянуть на это состоит в том, что распределение темной материи означает, что масса галактики линейно увеличивается с увеличением радиуса. Суть в том, что это не космическое совпадение, это математика.
Учитывая имеющиеся данные, темная материя, скорее всего, существует. До тех пор, пока не появится новая, более совершенная гипотеза (и это не будет MOND), или пока кто-то не сделает наблюдение, несовместимое с темной материей, она останется главным претендентом. Но споры вряд ли закончатся, пока мы на самом деле не узнаем, что такое темная материя.
