Пульсирующая Вселенная - Николай Николаевич Горькавый

Важнейшим открытием Фрица Цвикки является объяснение в 1934 году (вместе с Вальтером Бааде) механизма взрыва сверхновых звезд. Цвикки и Бааде предположили, что в какой-то момент эволюции массивной звезды гравитация преодолевает давление раскаленной материи и ядро массивной звезды быстро схлопывается в плотный нейтронный шар размером около десяти километров. При этом выделяется столько энергии, что внешняя оболочка звезды разлетается в разные стороны, выпуская наружу мощное световое излучение, которое можно заметить на расстоянии даже миллиардов световых лет. На месте взрыва сверхновой остается маленькая по размеру нейтронная звезда. Эта работа Цвикки — Бааде оказала на астрофизику и космологию огромное влияние. Спустя тридцать три года предсказание Цвикки и Бааде о существовании нейтронных звезд смогла подтвердить Джоселин Белл, открывшая в 1967 году пульсары, которые представляют собой нейтронные звезды с сильным магнитным полем. С тех пор пульсары являются важнейшим объектом для исследователей. В частности, движение двойного пульсара доказало существование гравитационных волн и подтвердило теорию Эйнштейна, за что Дж. Тейлору и Р. Хюлзу была присуждена Нобелевская премия 1993 года. Статью Цвикки — Бааде 1934 года о сверхновых, нейтронных звездах и космических лучах нобелевский лауреат Кип Торн назвал «одним из самых пророческих документов в истории физики и астрономии». Астроном Цвикки нашел в небе 129 сверхновых звезд, установив этим рекорд. Телескопы, снабженные компьютерами, довели к концу XX века число открытых сверхновых до многих тысяч. Четыре Нобелевские премии по физике были присуждены за работы, связанные с нейтронными звездами и сверхновыми. Более четверти миллиона научных статей опубликовано о сверхновых, название которым придумали Цвикки и Бааде.

В 1937 году Цвикки высказал важнейшую идею о гравитационном линзировании на галактиках (см. илл. 3 и 4). Но самым интригующим и важным открытием Цвикки стало доказательство существования темной материи. В 1933 году он опубликовал исследование скоростей скопления галактик в созвездии Волосы Вероники. Зная скорости движения отдельных галактик, Цвикки с помощью закона гравитации Ньютона вычислил массу всего скопления, ведь в стабильном скоплении скорости движения галактик не должны превышать скорость убегания из системы, которая задается массой всего скопления.

Общую массу галактического скопления Волос Вероники Цвикки оценил и вторым способом, подсчитав видимое количество галактик в скоплении и умножив его на типичную массу галактики. Оказалось, что суммарная масса видимых галактик в сотни раз меньше, чем масса скопления, полученная из изучения скоростей движения галактик. Цвикки сделал вывод, что основная масса вещества в скоплении Волос Вероники является невидимой для наблюдателя — он назвал ее темной материей. И хотя после уточнения значения постоянной Хаббла соотношение между невидимой и видимой массой скопления уменьшилось, общий вывод Цвикки о доминировании темной материи был бесспорен.

До Цвикки такие астрономы и ученые, как Герман Гельмгольц, Анри Пуанкаре, Джеймс Джинс, Якобус Каптейн и Ян Оорт, изучали возможность наличия в нашей Галактике темной материи. Но только после убедительных работ Цвикки существование невидимой составляющей космоса можно было считать доказанным. Это открытие, как и другие результаты Цвикки, долго не получало должного признания. Новым этапом в проблеме темной материи стали работы Веры Рубин и ее соавторов.

Подтвердить существование феномена темной материи на уровне отдельных галактик и привлечь к нему всеобщее внимание смогла Вера Рубин (1928–2016), астроном из Вашингтона. Научным руководителем диссертации Веры Рубин был Георгий Гамов. Родители Веры тоже были иммигрантами из бывшей Российской империи: мать из Бессарабии или Молдовы, отец — из Литвы. В середине 1960-х годов Вера Рубин стала первой женщиной, которую пригласили в Паломарскую обсерваторию, чтобы вести наблюдения на ее телескопах. В течение нескольких лет Вера Рубин вместе со своим соавтором Кентом Фордом, который изобрел очень чувствительный спектрограф, изучала движение звезд вокруг центров галактик, в первую очередь — Туманности Андромеды. Рубин вспоминала трудности наблюдений на обсерватории Лоуэлла в 1967–1968 годах: приходилось работать на телескопе в полной темноте, ухитряясь на ощупь вырезать фотопластинки нужного размера. Вместе с Фордом они применяли все способы для повышения чувствительности пластинок. Например, Рубин упоминала такой удивительный рецепт: «Нагревание фотопластинки в духовке в течение 72 часов волшебным образом повышало ее чувствительность». Самый первый спектр края Туманности Андромеды был случайно уничтожен — доброволец, который вызвался промыть готовую пластинку, поместил ее не в холодную, а в горячую воду и смыл всю фотоэмульсию со стекла.

Вера Рубин стала опытным специалистом в анализе звездных спектров и их изменений из-за эффекта Доплера, связанного с движением светил (см. книгу Vera Rubin «Bright Galaxies Dark Matters», 1997). Тема была важной, но не сулила каких-то сенсаций — может, именно поэтому Вера за нее взялась. Она признавалась, что не любит проблем, где наблюдатели теснятся, как в переполненном вагоне. Все астрономы заранее были уверены, что звезды вокруг галактических центров должны двигаться в полном соответствии с ньютоновскими законами, которые в случае, например, движения планет в Солнечной системе приводят к закону Кеплера: линейная скорость движения тела по орбите падает с ростом радиуса орбиты по закону

Отметим, что речь идет о равенстве линейных (или обычных) скоростей звезд на разных радиусах, что предполагает достаточно интенсивное дифференциальное вращение галактики. Твердотельное вращение достигается при постоянной, не зависящей от радиуса угловой скорости. В этом случае линейные скорости не являются постоянными, а растут при постоянной угловой скорости пропорционально радиусу. Спиральный узор в дифференциально-вращающихся галактиках движется твердотельно, потому что он представляет собой волну, распространяющуюся в дифференциально-вращающемся газопылевом диске достаточно независимо от движения самого диска. Так волны от катера неподвижны для пассажиров на нем, несмотря на течение реки.

Результаты Рубин и Форда быстро были подтверждены на десятках галактик, на краю которых