Если вы хоть немного интересуетесь устройством Вселенной, вы, вероятно, читали о загадочной субстанции, предложенной физиками, называемой «темной материей».
Темная материя — это невидимая материя, которая не излучает, не отражает и не поглощает свет и взаимодействует с обычной материей только посредством гравитации. Мы никогда не обнаруживали ее напрямую, но физики очень уверены в ее существовании и считают, что в наблюдаемой Вселенной ее примерно в пять раз больше, чем обычной материи, из которой состоят звезды, планеты, пыль и все остальное, чем мы наслаждаемся (например, пирогами).
Вы можете спросить, откуда физики знают, что эта невидимая материя должна существовать, если мы не можем обнаружить ее напрямую. Ответ кроется в работах Фрица Цвикки 1930-х годов и наблюдениях Веры Рубин и Кента Форда 1970-х годов.
В 1933 году швейцарский астроном Фриц Цвикки изучал скопление Кома — большое скопление галактик диаметром более 20 миллионов световых лет, содержащее тысячи галактик — и обнаружил нечто довольно странное. Галактики внутри скопления двигались с такой высокой скоростью, что они должны были разлететься, учитывая количество видимой массы внутри галактик и скопления. Он предположил, что область должна содержать большое количество «Dunkle Materie» (темной материи), чтобы скопление оставалось стабильным.
Хотя это и озадачивало, исследование не слишком быстро изменило космологию. Но схожие результаты были получены при наблюдении за другими скоплениями, а затем и за звездами внутри самих галактик.
«Используя закон всемирного тяготения Ньютона и центробежную силу, можно рассчитать скорость вращения массы по круговой орбите вокруг другой массы как функцию расстояния до центра вращения», — объясняется в статье на эту тему. «Этими простыми расчетами показано, что скорость вращения уменьшается с увеличением расстояния».
Это работает, когда мы смотрим на нашу собственную Солнечную систему. Чем дальше объект находится от центра вращения (нашего Солнца), тем медленнее он вращается вокруг центра.
Но когда Вера Рубин и Кент Форд построили графики скоростей звезд внутри спиральных галактик — глядя на сдвиг длин волн света, когда они движутся к нам и от нас, — они обнаружили то же странное явление, что и Цвикки. Поскольку спиральные галактики содержат наибольшую (видимую) массу по направлению к центру, они ожидали, что звезды ближе к центру галактики будут вращаться быстрее, чем звезды на краю галактики. Если бы звезды на краях галактик вращались с такими же высокими скоростями, как и в центре (а видимая масса — это все, что находится внутри них), можно было бы ожидать, что эти звезды оторвутся от галактики, и у них не хватит гравитации, чтобы удержать их внутри нее.
Но именно это они и обнаружили. Звезды на малонаселенных краях спиральных галактик двигались так же быстро, как звезды вблизи их галактических центров. Изучив более 60 галактик, они увидели тот же результат, и Рубин пришла к выводу, что галактики должны содержать примерно в 10 раз больше массы, чем видно, чтобы объяснить эти движения.
Чем больше мы изучаем галактики, тем больше находим расхождение между количеством видимой массы, которую они имеют, и скоростями, с которыми мы ожидаем, что звезды будут двигаться, учитывая их видимую массу. В настоящее время общепризнано, что Вселенная содержит «темную материю», которая значительно превосходит видимую материю, которую мы видим, хотя дебаты о том, что это за материя, все еще продолжаются, а ее обнаружение все еще недостижимо.
Альтернативы темной материи существуют (например, MOND, которая несколько произвольно постулирует, что гравитация ослабевает на больших расстояниях), но любая теория о динамике нашей Вселенной теперь должна объяснять, почему звезды на внешнем краю галактики вращаются так быстро, как они это делают, оставаясь при этом связанными с ней.
«Мы заглянули в новый мир, — писала Рубин об этом изменяющем физику наблюдении, — и увидели, что он более загадочен и сложен, чем мы себе представляли. Еще больше тайн Вселенной остаются скрытыми. Их открытие ждет отважных ученых будущего. Мне это нравится».
Читайте также: Темная материя может иметь свою собственную “невидимую” периодическую таблицу элементов
