Млечный Путь, в свою очередь, — лишь одна из непостижимого множества галактик. В той части Вселенной, которую мы имеем возможность изучать, насчитывается примерно столько же галактик, сколько звезд в Млечном Пути. Эти галактики распределены в пространстве не равномерно, а собраны в структуры, называемые группами и скоплениями галактик. Группы из скоплений галактик называются сверхскоплениями, а сами сверхскопления тоже образуют структуры, они имеют тенденцию к сбору в большие галактические нити, называемые «великие стены».
В той части Вселенной, за которой мы можем наблюдать, находится очень много сверхскоплений галактик. Одно из них — сверхскопление Девы. Оно содержит в себе десятки тысяч галактик. Одна из этих галактик — Млечный Путь — вращающийся диск с несколькими сотнями миллиардов звезд. И вокруг одного довольно обычного представителя этих звезд, Солнца, обращается небольшая планета-песчинка. На этой планете сидим мы и разглядываем Вселенную — сцену, где расширяются темная материя и темная энергия.
И что же мы видим с нашей планеты-песчинки? Как я уже упоминал, 70 процентов Вселенной составляет темная энергия, а 25 — темная материя. Пока что мы ненадолго оставим темную энергию и ее невероятную отталкивающую гравитацию и более интенсивно поищем темную материю. А заодно получше познакомимся с нашей Вселенной и законами физики, которые всё и связывают. Так мы подготовимся к тому, чтобы связать воедино нашу картину Вселенной с темной энергий во второй части книги.
2. Темная материя
Астрономы напали на след темной материи еще в 1930-х годах. Но большинство считало гипотезу о существовании большого количества невидимой материи притянутой за уши, и серьезно относиться к темной материи начали лишь спустя много лет, когда новые телескопы и техника произвели революцию в наших наблюдениях за Вселенной. И мало-помалу стало очевидно, что темную материю стоит взять на вооружение, хотя астрономы и сейчас не в восторге от идеи о том, что во Вселенной существует огромное количество невидимого вещества.
В этой главе мы разгадаем головоломку о том, как темная материя все-таки проникла в нашу стандартную картину Вселенной, и посмотрим, почему сейчас так сложно отрицать ее существование. Мы начнем с относительно недавних событий, когда в 2006 году столкновение скоплений галактик изящно разоблачило темную материю.
2.1. Когда скопления галактик сталкиваются
Скопление галактик Нуля (Bullet Cluster) иллюстрирует столкновение двух скоплений галактик. Розовые участки показывают рентгеновское излучение от обычной материи. Синие участки показывают распределение массы, основываясь на гравитационном линзировании галактик.
Эта фотография была сделана в 2006 году, и с тех самых пор астрономы на нее почти молятся.
(Изображение основано на данных из следующей революционной статьи, где впервые вычисляется распределение массы на основе гравитационного линзирования: «А Direct Empirical Proof of the Existence of Dark Matter».)
В этих синих и розовых точках раскрывается то, что мы по большей части и считаем темной материей. Что же вы видим на этом изображении?
В центре моментального снимка одна из жесточайших встреч в космосе: столкновение двух скоплений галактик, которое продолжалось в течение сотен миллионов лет. Изображенное здесь столкновение известно под названием Пуля (англ. Bullet Cluster) из-за похожего на пулю образования справа.
Скопление галактик — это, как мы уже поняли, система связанных друг с другом галактик. Галактики в скоплении притягивают друг друга благодаря силе тяжести, поэтому скопления, как и планеты Солнечной системы, остаются на месте и не разлетаются. Галактики кружатся друг вокруг друга, как комары над рыбаком, и, подобно тому, как рой комаров перемещается от одного рыбака к другому, скопления галактик двигаются в космическом пространстве. Иногда эти космические рои комаров сталкиваются. В случае со скоплением галактик Пуля два скопления сталкиваются со скоростью 2500 км/с — это все равно, что за секунду переместиться из Франции в Норвегию.
Что происходит во время таких столкновений? И зависит ли это от того, из чего они состоят? Помните то обычное видимое яблоко Ньютона? Ученого больше всего занимало, что происходило с яблоком, пока оно находилось в воздухе, а сила тяжести тянула его вниз. Но, наверно, самое захватывающее происходит, когда яблоко с глухим стуком ударяется о землю и останавливается. Оно сталкивается с землей, и, несмотря на то что сила тяжести продолжает воздействовать на яблоко, фрукт неподвижно лежит на траве. Это происходит, потому что яблоко состоит из обычной материи. Если мы заменим обычное яблоко на яблоко из темной материи, оно пройдет сквозь земной шар без столкновения.
То же самое происходит и когда сталкиваются скопления галактик. Если скопления состоят из обычной материи, то они сталкиваются и замедляют движение друг друга. А вот если скопления состоят из темной материи, то они беспрепятственно проходят сквозь друг друга, прямо как яблоко из темной материи беспрепятственно прошло сквозь Землю. Это теория. А сравнить с реальностью можно благодаря скоплению Пуля.
Если мы направим большой телескоп на скопление Пуля, то увидим желтые звезды и галактики, показанные на рисунке. Однако больших розовых и синих точек мы не увидим. Эти цвета были наложены на изображение позже. Что же нам показывают розовые и синие пятна?
Начнем с розовой части. Розовые точки отображают рентгеновские излучения, замеченные благодаря космическому телескопу «Чандра». Рентгеновское излучение — это еще один тип сверхсильного излучения, которое образуется во время мощных столкновений. Скопления галактик, помимо непосредственно галактик, содержат большое количество межгалактического газа. В скоплении галактик Пуля рентгеновское излучение образуется, когда два скопления встречаются и сталкиваются. Розовые точки также свидетельствуют о столкнувшихся газах. Темная материя не сталкивается, поэтому розовый цвет показывает нам лишь следы обычной видимой материи в скоплении галактик.
В скоплении галактик Пуля сталкиваются два скопления разных размеров. Меньшее скопление слева — небольшие, заостренные точки правее от середины — уже влилось в значительную часть более крупного скопления. Заостренные формы можно сравнить с волнами, которые образуются вокруг носа лодки, врезающейся в воду, с одним лишь отличием — волны от маленького скопления галактик будут протягиваться на много сотен тысяч световых лет. Световой год — это обозначение расстояния, которое свет может преодолеть за год, и если учесть, что свет двигается настолько быстро, что за секунду может обогнуть Землю более семи раз, то световой год — это весьма большое расстояние, не говоря уже о сотне тысяч световых лет, что является протяженностью маленького скопления галактик.
Пока все сходится. Два скопления галактик встречаются, газы сталкиваются и испускают рентгеновское излучение, которое ясно показывает, насколько большие были скорости и размеры. Розовые области отображают обычную сталкивающуюся материю.
Но что такое синие точки? Синие участки показывают, где находится большая часть материи — как видимой, так и невидимой. Таким образом, синие точки представляют собой карту массы Пули, в то время как розовые точки показывают видимое вещество в форме сталкивающегося газа. По краям синих точек заметно больше, чем розовых. Или, иначе говоря, основная часть материи в скоплении галактик Пуля находится вовсе не в месте скопления видимого газа. Как же это объяснить?
Давайте представим, что два сталкивающихся скопления галактик состоят из двух частей: одна часть из обычной сталкивающейся материи, а другая — гораздо массивнее — из несталки- вающейся темной материи. Что случится, когда два скопления обрушатся друг на друга? Да, во время столкновения обычная материя столкнется и сильно замедлится. А темная материя не сталкивается и пройдет без изменений через столкновение. И именно это нам и показывают синие точки. Розовые области демонстрируют сталкивающуюся обычную материю, в то время как синий цвет указывает на части скопления галактик, которые не столкнулись, то есть темную материю.
