V. Где же находится все вещество?
Незачем пытаться взвесить всю Вселенную — достаточно найти способ точно вычислять вес отдельных галактик, и дело в шляпе. Как вам такая мысль: посчитать, сколько в галактике звезд, и предположить, что все они примерно похожи на Солнце. В конце концов, когда смотришь на ночное небо, все, что видишь,— это звездный свет или, как в случае Луны и планет, отраженный звездный свет нашего же Солнца. Более того, в нашей Солнечной системе 99,99% массы — именно звездная (масса Солнца), поэтому, наверное, предположение, что (практически) вся масса галактик сосредоточена в звездах, не такое уж и безумное. Бели мы переработаем цифры в нашем навороченном компьютере, то получим универсальную плотность — ΩЗВЕЗД — всего в 0,2%.
1 Это непревзойденно удачная попытка астрономов получить точные числа.
Это означает, что галактики, как и автоботы с децептиконами, не совсем то, чем кажутся. В большинстве галактик солидную долю «вещества» составляет огромное количество газа, который испускает рентгеновское излучение, а не видимый свет. Так что если вы когда-нибудь приведете любимую галактику в рентгенкабинет, доктор сразу скажет вам, сколько в ней газа, измерив рентгеновское излучение. Если вы включите в свои расчеты ту массу, которая найдется благодаря этому эффекту, и приплюсуете ее к массе звезд, то обнаружите, что Пм составляет 5%, то есть Вселенная по-прежнему, прямо скажем, пуста.
Эти пять процентов — своего рода сюрприз, причем неприятный. Они отражают количество массы, которое содержится в обычной материи — физики любят называть ее «барионы», а это, как вы помните1, всего лишь протоны и нейтроны. А значит, все элементы состоят из барионов, что, в свою очередь, значит, что все атомы и молекулы стоят из барионов, а из этого следует, что мы с вами, Солнце, Земля, звезды, газ, пыль и все, что вы видели или с чем имели дело, состоит из барионов. Есть уйма разных оценок, которые можно проделать, чтобы подсчитать количество барионов во Вселенной. По всем получается, что ΩB, то есть доля критической плотности в барионах, составляет всего около 5%.
Все было бы прекрасно, если бы не любопытное наблюдение, которое сделала в 1970 году Вера Рубин с коллегами. Она отметила, что звезды вращаются вокруг галактик и вся эта конструкция держится на гравитации.
1 А вы, конечно, помните.
Если в галактике недостает массы, звезды от нее разлетятся. Именно это происходит, если, раздухарившись, начинаешь вертеть вокруг себя раскидайчик и тут кто-то злокозненный перерезает шнурок. Раскидайчик больше не крутится по «орбите», а отлетает в сторону, вероятно, подбив кому-нибудь злокозненному глаз1. Суть вот в чем: мы измерим, с какой скоростью двигаются звезды вокруг центра галактики, если вычислим доплеровский сдвиг, а затем уже на основании этих данных оценим общую массу этой галактики. И знаете, что оказалось? Оказалось, что галактики примерно в шесть раз массивнее, чем мы думали! Иначе говоря, Ωм составляет около 28%, но только в том случае, если мы предположим, что большая часть массы, около 85%, состоит из некоей загадочной «темной материи», которую нам не видно.
Возможно, в наших выкладках есть какая-то ошибка, а может быть, мы что-то неверно измерили. Бритва Оккама велит нам считать самое простое решение самым лучшим, а гораздо проще сказать, что мы где-то ошиблись, чем сказать, что мы почему-то не видим 85% массы Вселенной! Нужны дальнейшие изыскания.
В последние годы симпатичные умницы-астрономы стали для измерения масс галактик и скоплений галактик пользоваться техникой, известной как «гравитационные линзы». Эта техника опирается на то, что массивные объекты вроде галактик немного искривляют пространство, а лучи света следуют кривизне пространства. Например, если галактика, где находится Тентакулюс, расположена между Землей и другой, более далекой галактикой, изображение задней галактики будет искажено массой галактики Тентакулюс а. Чем больше масса, тем сильнее искажение.
1 М-да. Опасные шутки с раскндайчиком, рентген для галактики… Эта глава сделает вас завсегдатаем травматологического пункта.
Поблизости от скоплений галактик этот феномен еще заметнее, поскольку скопления галактик иногда имеют массу в целый квадрильон (1015) масс Солнца. Если скопления искажают своей линзой галактики на заднем плане, то астрономы на Земле будут наблюдать эти галактики не в нормальном виде, а в виде всяческих дуг, а иногда одна и та же галактика будет представлена двумя изображениями — примерно как в лупу под определенным углом видно, скажем, два ваших указательных пальца вместо одного.
Налицо редкий случай, когда забавная картинка не поможет; взгляните на изображение скопления галактик Abell 2218, сделанное космическим телескопом «Хаббл».
Если приглядеться, станет видно, что некоторые галактики — очень яркие и округлые. Это галактики в скоплении. Однако, присмотревшись еще внимательнее, вы увидите, что на фотографии много узких продолговатых мазков и выгнутых дуг. Хотите верьте, хотите нет, это тоже обычные галактики, просто они (если смотреть с Земли) находятся за скоплением, и их изображения беспардонно искажены гравитационным полем.
Гравитационные линзы позволяют измерять массу галактик, а следовательно, и Вселенной, еще одним способом, и все вычисления приводят к одному выводу: во Вселенной вшестеро больше массы, чем суммарная «обычная» барионная масса. В 2006 году Маруся Брадач, которая тогда работала в Стэнфорде, и ее коллеги изучили столкновение пары скоплений, так называемое скопление «Пуля», и получили поразительные результаты.
Как мы уже видели, большинство обычной массы в скоплениях составляют не звезды, а горячий газ. Звезды, та часть галактик, которую мы видим глазами,— всего лишь крошечное меньшинство. Так что если бы эта темная материя — материя, неразличимая глазом,— на самом деле состояла из обычного вещества, можно было бы ожидать, что она будет образовывать те же структуры, что и газ.
Так вот, Брадач и ее сотрудники обнаружили, что в скоплении не просто больше массы, чем масса газа,— хуже того, темная материя, судя по всему, находится даже не рядом с газом! Иначе говоря, даже хотя мы не знаем, что это такое — темная материя, зато знаем, как ее искать.