Астрофизика начинающим: как понять Вселенную

Спокойно. Вы не стукнетесь лбом о ком темной материи, пробираясь ночью в туалет по темному коридору. И не споткнетесь об нее на перемене в переполненном учениками холле по пути из одного школьного кабинета в другой, хоть вам, наверное, очень бы хотелось объяснить толпе менее подкованных в современной науке и хохочущих над вашей неловкостью друзей, по какой удивительной причине вы чуть не расквасили себе нос на ровном месте. Темная материя находится в галактиках и скоплениях галактик. Мы не видим никаких ее воздействий на меньшие по размеру объекты, такие как луны и планеты. Гравитацию на Земле можно полностью объяснить веществом у нас под ногами. Уж здесь-то, по крайней мере, Ньютон не ошибся.

Так из чего же состоит темная материя? Что мы о ней знаем? Обычное вещество собирается в атомы, молекулы и дальше в объекты самого разного размера, от крохотных крупинок песка до гигантских космических камней. О темной материи этого сказать нельзя. Если бы она тоже так делала, мы находили бы кусочки и глыбы темной материи повсюду во Вселенной.

Мы бы отыскали кометы из темной материи.

Планеты из темной материи.

Галактики из темной материи.

Однако, насколько мы можем судить, мир устроен не так. И мы знаем, что вещество Вселенной, к которому мы привыкли, из которого состоят звезды, планеты и живые существа, – это лишь тоненькая корочка глазури на огромном и темном космическом пироге.

Мы не знаем, что это такое. Но мы точно знаем, что темная материя нам нужна. И всегда была нужна.

В первые полмиллиона лет после Большого взрыва – а это был всего лишь миг по сравнению с четырнадцaтью миллиардами лет космической истории – вещество во Вселенной уже начало собираться в бесформенные сгустки. Потом эти сгустки станут скоплениями и сверхскоплениями галактик. За следующие почти полмиллиона лет Вселенная удвоилась в размерах и продолжала расти. В течение этого периода роста два процесса соперничали друг с другом.

С одной стороны, гравитация стремилась стянуть весь мир вместе.

С другой – расширение Вселенной растягивало его в разные стороны.

Одна только гравитация обычного вещества не могла бы выиграть эту битву. Нужна была добавочная сила тяготения темной материи. Без нее мы оказались бы во Вселенной, лишенной каких-либо структур.

В ней не было бы скоплений галактик.

И самих галактик.

Не было бы звезд.

Не было бы планет.

Не было бы людей.

Без темной материи мы вообще не могли бы появиться.

Получается, что темная материя – наш друг и враг одновременно. Мы понятия не имеем, что это такое, что нас несколько беспокоит. Но мы отчаянно в ней нуждаемся. Вообще-то мы, ученые, не любим, когда нам приходится сталкиваться с непонятными сущностями, но иногда такое случается, и здесь ничего не поделаешь. Темная материя – не первый случай, когда нам приходится признать существование чего-то загадочного.

Например, в XIX веке ученые измерили энергию, излучаемую Солнцем, и показали, какое влияние она оказывает на времена года и климат на Земле. Они знали, что Солнце дает нам тепло и обеспечивает нас энергией, необходимой для жизни. Но никто не понимал, откуда берется солнечная энергия, пока одна женщина по имени Маргарет Бербидж и ее сотрудники не сумели это объяснить. До работ Бербидж Солнце было для ученых такой же загадкой, как сейчас темная материя. Некоторые, например, считали, что Солнце – это просто горящая куча угля.

Почему светит Солнце

Звезды, такие как наше Солнце, формируются из огромных газовых облаков. Гравитация сжимает эти облака, и они становятся меньше и меньше, а одновременно горячее и горячее. Некоторые облака перестают сжиматься и становятся гигантскими светящимися массами. Но другие, как те, из которого образовалось Солнце, оказываются такими большими, что в их недрах начинается процесс термоядерного синтеза. Молекулы водорода в ядре такого облака врезаются друг в друга и слипаются – или сплавляются, – выделяя при этом энергию. Энергия миллионов таких микростолкновений действует против тяготения, не давая облаку дальше сжиматься, и ее оказывается достаточно, чтобы Солнце ярко засияло.