Мама темной материи

За несколько дней до Нового года пришло известие о смерти выдающегося астрофизика Веры Рубин. Ее имя может быть не очень хорошо знакомо человеку, далекому от астрономии, но именно ее работы в середине XX века внесли решающий вклад в принятие научным сообществом темной материи, которая «увеличила» массу Вселенной в пять раз.

Сам термин «темная материя» еще в 1930-х предложил Фриц Цвикке — знаменитый астрофизик, который изучал движение

. Используя повсеместно применяемую в астрофизике

, которая связывала угловую скорость объектов в замкнутой системе с их массой, он пришел к выводу, что масса скопления должна быть в десятки раз больше той, которую мы получим, если сложим вместе все звезды, газ и пыль. Однако, тогда, в 1930-е, люди только недавно узнали о существовании галактик, теория гравитации Эйнштейна еще не была проверены достаточно точно, ядерная физика делала первые шаги — в общем, никто особо не удивился, что первые измерения скоростей галактик так сильно отличались от предсказанных, и «темная материя», скорее, использовалась в значении «что-то, чего мы не учитываем, но что исчезнет при более достоверных экспериментах».

Вера Рубин родилась в США в 1928 году и начинала свою научную карьеру в те времена, когда женщины почти не занимались наукой — их с трудом брали в аспирантуру (женщины не могли официально учиться в магистратуре или аспирантуре Принстона до 1975 года!), не давали преподавать, не приглашали на научные конференции. Известные нам женщины астрофизики того времени — это скорее исключение. Так Генриетта Ливитт открыла законы переменности цефеид именно потому, что группе образованных и умных женщин дали разбирать огромный объем накопленных знаний, где не предполагалось никакого открытия.

Тем не менее, Вера Рубин с первых шагов проявила себя блестящим студентом и ученым. Ну и, конечно, ей повезло с профессорами — она работала с Ричардом Фейнманом и Хансом Бете, ее научным руководителем был Георгий Гамов. Докторская диссертация Веры Рубин была посвящена локальному нарушению закона Хаббла о разбегании галактик. Она смогла показать, что несмотря на то, что галактики, в целом, удаляются друг от друга, некоторые из них все же образуют гравитационно связанные системы — скопления галактик. Выводы, сделанные в ее диссертации, не принимались всерьез в течение примерно 20 лет, пока новые данные не доказали существование скоплений и сверхскоплений галактик. Стоит добавить, что сама Вера Рубин признавала свою работу сыроватой, а ряд предположений недостаточно хорошо обоснованным, хотя многие ее коллеги утверждали, что если бы подобную работу сделал мужчина, эти результаты были бы приняты с бóльшим вниманием. Позже она вернулась к работе над этой темой, и наблюдаемое сейчас движение ближайших галактик в направлении созвездий Гидры и Центавра называют эффектом Рубин-Форда.

В конце 1960-х годов Вера вместе со своим коллегой Кентом Фордом приступила к измерениям скорости вращения галактики Андромеда. Несмотря на то, что звезды летят в пространстве со скоростью под 200 километров в секунду, увидеть их движение в телескоп на таком расстоянии, конечно, невозможно. Для определения скорости используют эффект Допплера — если галактика повернута к нам боком, то часть звезд будут лететь на нас, а часть от нас (представьте, что вы смотрите на вращающуюся музыкальную пластинку с ребра). В этом случае свет от звезд, которые летят к нам, будет смещен в голубую область спектра, а у летящих от нас — в красную. На словах это выглядит понятно, но провести эти измерения в середине XX века для звезд, которые находятся от нас на расстоянии 2,5 миллиона световых лет, было чрезвычайно непросто. Например, в то время еще не было никаких CCD матриц и для фиксации изображения телескопа использовались фотопластинки, которые потом вручную обсчитывались — смещение спектральных линий измерялось линейкой.

В то время астрономы уже знали, что галактика состоит не только из звезд, — в ней есть огромные объемы водорода и пыли (позже были обнаружены более сложные молекулы), — и что звезды расположены только в центральной части галактики, а сама она по размерам намного больше. Для того чтобы лучше разобраться в динамике галактик, Вера Рубин начала измерять скорость облаков водорода в ближайшей к нам галактике Андромеды. И тут пришли первые неожиданные результаты. Дело в том, что, согласно законам движения, открытым Ньютоном, чем дальше тело от центра вращения, тем ниже его угловая скорость. Именно поэтому год на Меркурии длится всего 88 дней, а на Юпитере — 12 земных лет. То же самое ожидала увидеть Вера Рубин. Однако скорость звезд была примерно одна и та же вплоть до самых внешних границ галактики.

Это можно было объяснить только тем, что есть еще какая-то невидимая масса, которая влияет на движение всех тел в галактике, — потому что внешние области галактики вращались так быстро, что их должно было выкинуть из Андромеды центробежными силами. Более того, масса была распределена очень необычно — ее нельзя было объяснить присутствием большого количества тусклых звезд, черных дыр, планет или газа.

Сразу начались попытки объяснить подобное поведение недостатком теории гравитации — было сделано множество предложений, например, заменить общую теорию относительности Эйнштейна модифицированной ньютоновской механикой (MOND), но это приводило к противоречиям с другими наблюдениями. Сама Вера Рубин замечала, что ей бы хотелось, чтобы MOND оказалась верна, потому что в этом случае не пришлось бы вводить в физику новые, да еще и не обнаруженные частицы темной материи.

За десятилетие работы Вера Рубин собрала убедительные доказательства существования темной материи и в других галактиках. Новые работы астрофизиков всего мира показали, что расчеты гравитационного линзирования, динамика движения новых открываемых скоплений галактик, распределение вещества в знаменитом

согласуются с наблюдениями, только если допустить существование темной материи. С конца 1970-х годов темная материя прочно заняла свое место в теоретических моделях, космологических симуляциях и умах астрофизиков — попытки найти ее частицы (или объяснить, почему этих частиц не должно быть вовсе) продолжаются до сих пор.

Вера Рубин работала в институте Карнеги (там же работал Эдвин Хаббл), ее последняя работа вышла в 2013-м году, а всего она была главным автором более чем двух десятков научных статей. В 1993-м году Рубин получила Национальную научную медаль США — высшую государственную награду за выдающийся вклад в области науки.

«Моя жизнь была интересным путешествием. Я стала астрономом, потому что не могла даже представить, как можно жить на Земле и не думать о том, как устроена Вселенная. Моя научная карьера всегда была связана с вращением галактик и движением галактик во Вселенной. В 1965-м, если с вами была удача и вам было интересно наблюдать, вы могли просто зайти в научную лабораторию, где строились телескопы, которые позволяли получать данные в 10 раз быстрее, чем раньше. И делать удивительный открытия», — Вера Рубин (1928 — 2016).

Марат Мусин.