Коллайдер

В первую очередь астрономы направили телескопическую трубу на ближайшую спиральную соседку Млечного Пути, галактику в созвездии Андромеды. С помощью спектрографа они стали собирать данные о доплеровском смещении в спектрах звезд, находящихся на галактической периферии. Доплеровское смещение - это увеличение (уменьшение) частоты излучения от объекта, движущегося к наблюдателю (от наблюдателя). Величина этого смещения зависит от относительной скорости тела. Эффект Доплера свойственен любому волновому процессу, в том числе свету и звуку. Например, всякий раз, когда мы слышим, как пожарная сирена, приближаясь, завывает все выше, а удаляясь, понижает тон, мы имеем дело с этим эффектом. Если говорить о свете, то с приближением источника его излучение сдвигается в фиолетовую область спектра (фиолетовое смещение), а с удалением - в красную (красное смещение). Красные смещения галактик послужили Хабблу доказательством того, что далекие галактики разлетаются от нас. Эффект Доплера в электромагнитных спектрах до сих пор является одним из незаменимых инструментов астрономии.

Сняв спектры звезд во внешних частях Андромеды и измерив величину смещения, Рубин и Форд смогли посчитать скорость звездного вещества. Они определили, насколько быстро звезды на галактической окраине движутся вокруг центра притяжения. Затем ученые из Института Карнеги построили график: по вертикали отложили орбитальные скорости, а по горизонтали - расстояние от центра. Эта зависимость, называемая кривой вращения галактики, наглядно показывала, как на карусели Андромеды кружатся самые крайние ее части.

Как установил Кеплер еще несколько столетий назад, в астрономических объектах, в которых основная часть массы сосредоточена в центре (пример - Солнечная система), чем дальше тело от середины, тем меньше его скорость. Внешние планеты движутся по своим орбитам гораздо медленнее, чем внутренние. Меркурий мелькает около Солнца со скоростью около 50 км/с, в то время как Нептун еле-еле ползет - примерно 5,5 км/с. Причина проста: солнечное притяжение быстро убывает с радиусом, а масса, которая бы могла повлиять на скорости планет, во внешних частях Солнечной системы отсутствует.

Раньше думали, что в спиральных галактиках, наподобие Млечного Пути, вещество распределено так же компактно. В наблюдениях видно: плотнее всего звезды населяют центральную часть галактик и образуют шаровидную структуру (астрономы говорят «балдж»). Спиральные рукава и ореол, окутывающий галактический диск, наоборот, выглядят разреженными и эфемерными. Но первое впечатление обманчиво.

Строя кривую вращения Андромеды, Рубин и Форд твердо были уверены, что, как в Солнечной системе, на больших расстояниях скорости будут падать. Но вместо этого график выходил на прямую линию, чем ученые были изрядно озадачены. На месте горного склона оказалось ровное плато. Плоская форма профиля скорости означала, что на самом деле масса простирается далеко за пределы наблюдаемой структуры. Нечто скрытое от наших глаз оказывает ощутимое воздействие на те области, где гравитация, по нашим представлениям, должна быть исчезающе малой.

Чтобы понять, является ли такое поведение скоростей в Андромеде исключением или правилом, Рубин и Форд совместно со своими коллегами из Института Карнеги Норбертом Тоннардом и Дэвидом Берстайном решили проверить еще 60 спиральных галактик. Хотя спиральные не единственный тип галактик - есть эллиптические, есть галактики неправильной формы, - астрономы выбрали «вихрь» за его простоту. В отличие от других типов галактик, в спиральных звезды в рукавах все вращаются в одном направлении. Поэтому их скорости легче отложить на графике, а значит, легче проанализировать.

Группа ученых выполнила наблюдения на обсерваториях Китт-Пик в Аризоне и Серро-Тололо в Чили и построила кривые вращения для всех 60 галактик. На удивление, на каждом графике был такой же плоский участок, как у Андромеды. Отсюда Рубин и ее соавторы сделали вывод, что основная часть вещества в спиральных галактиках собрана в протяженные невидимые образования, которые, если не считать гравитационного поля, никак себя не проявляют. Проблема, мучавшая Оорта и Цвикки, встала во весь рост!

Кто скрывается за маской? Может быть, темная материя состоит из обычного вещества, но его плохо видно? Может, наши телескопы всего-навсего слишком слабы, чтобы разглядеть все объекты в космосе?