Имея достаточно длинный рычаг и место, где можно стоять, Архимед знал, что может сдвинуть Землю. Аналогичным образом, взвешивание массивных объектов, таких как планеты и звезды, на весах, как это можно сделать с килограммом говядины, возможно только в теории, но быстрый поиск в Википедии позволяет найти множество такой непостижимой информации: Восемь планет нашей Солнечной системы весят от 10²⁴ до 10²⁷ килограммов каждая. Солнце весит 10³⁰. Наша галактика весит около 10⁴² килограммов, а вся видимая Вселенная достигает примерно 10⁵³.
Когда дело доходит до того, чтобы представить себе такие колоссальные массы, человеческий разум оказывается совершенно не в состоянии. Тем не менее, физики и астрономы продолжают совершенствовать свои измерения неизмеримого и немыслимого. В начале этого месяца группа исследователей опубликовала на сервере препринтов arXiv новую, еще не прошедшую экспертную оценку, оценку массы галактики Млечный Путь, включая как диск мерцающих звезд, так и невидимую сферу темной материи, которая предположительно окружает ее. Они получили массу, эквивалентную 890 миллиардам солнц (большая часть из которых - темная материя, и только 60 миллиардов масс солнца представляют все звезды и газ, которые мы можем видеть), плюс-минус 100 миллиардов солнц. Такие цифры могут показаться непостижимыми, но почти все они связаны с одним взаимодействием - взаимным танцем объектов, тяготеющих друг к другу.
Но сначала немного о весе и массе - тесно связанных, но технически различных качествах. Официально "вес" описывает силу гравитации, действующую на объект, поэтому все, от синего кита до галактики, ничего не "весит", плавая в пустом пространстве. На самом деле исследователей интересует масса - неизменное количество вещества в объекте, или, эквивалентно, сколько энергии требуется, чтобы заставить объект двигаться. Однако в конечном итоге, независимо от того, опирается ли человек на весы в ванной или астрономические наблюдения, "взвешивание" объекта обычно сводится к измерению гравитационной силы между ним и массивным партнером.
Земля
Первым действительно крупным объектом, который пытались взвесить пытливые умы, был предмет под нашими ногами. Первые попытки сводились к предположению размера и плотности планеты и вычислению ее массы на основе этого. К 1600-м годам оценки диаметра Земли - и, следовательно, ее объема - не были ужасающими. Но никто не был уверен в плотности - состоит ли планета из воды или из камня. Однако все ошибались, потому что на самом деле планета состоит в основном из металла, который плотнее и того, и другого.
Чтобы выяснить эту плотность (и, следовательно, массу Земли), британский ученый Генри Кавендиш в 1798 году измерил общую силу гравитации. Исаак Ньютон еще в 1600-х годах показал, что все предметы тянут за собой все другие предметы, а предметы с большей массой тянут сильнее. Кавендиш подвесил маленькие металлические шарики к проволоке, поместил рядом более тяжелые шары и наблюдал, как проволока закручивается, когда шары притягиваются друг к другу. По этому горизонтальному кручению он смог определить интенсивность гравитационной силы в целом. А зная, как сильно масса Земли тянет вниз его шары (то есть их вес), он мог использовать уравнения Ньютона, чтобы определить состав Земли, подозрительно похожий на металл: больше плотности воды в 5.42 раз. Современные физики установили, что он ошибся всего на семь десятых процента.
Солнце, планеты и многое другое
Одно из определений массы связано с тем, насколько сильно два объекта тяготеют друг к другу. Поэтому после того, как Ньютон и Кавендиш выяснили силу гравитации в целом и массу Земли в частности, у ученых появились инструменты, необходимые для того, чтобы взвесить большую часть остальной Вселенной.
Солнце тянет Землю достаточно сильно, чтобы раскачивать ее раз в 365 дней, что подразумевает определенную силу, а значит, и массу. Аналогичным образом, рассматривая Солнце как главного партнера в различных парах небесных тел, исследователи могут рассчитать массу остальных планет, основываясь на продолжительности их лет. Наблюдение за тем, как луны вращаются вокруг планет, дало еще один способ проверки, а также способ взвешивания лун. Оценка массы астероидов остается чем-то вроде темного искусства, основанного на угадывании правдоподобных плотностей и размеров. Но те космические камни, на которых побывал космический корабль, не могли не подтолкнуть зонд (с известной массой), обнаружив при этом свою собственную массу.
Галактики
Подобно тому, как исследователи могут определить массу Земли по тому, как сильно она притягивает объекты на своей поверхности или вблизи нее, или массу Солнца по тому, как быстро планеты обращаются вокруг него, они могут определить массу галактики по движению объектов, обращающихся вокруг нее.
Именно эти траектории орбитальных звезд впервые указали на наличие темной материи в 1970-х годах. В нашей Солнечной системе Меркурий вращается почти в девять раз быстрее Нептуна, потому что он находится гораздо ближе к источнику большей части массы нашей Солнечной системы - Солнцу, объясняет Хизер Госс в журнале Air and Space. Исследователи ожидали, что подобная картина должна наблюдаться и в других галактиках: далекие звезды движутся по более медленным орбитам, чем близкие.
Эта зависимость сохраняется вблизи центра большинства галактик, но затем прекращается. После определенного момента, независимо от того, насколько далеко они заглядывают, астрономы обнаружили, что звезды движутся по орбитам с удивительно похожими скоростями. Их сбивающие с толку движения предполагают, что второй, невидимый источник массы также притягивает их. (Теория, известная как модифицированная ньютоновская динамика, альтернативно предполагает, что результаты Ньютона и Кавендиша не работают в больших масштабах, но она с трудом объясняет другие космологические результаты).
Независимо от этого, астрономы взвешивают нашу галактику путем аналогичного анализа местных звезд и групп звезд. Недавнее исследование, которое расширяет другую оценку, сделанную ранее в этом году, использует базу данных почти 3 000 "трассирующих" объектов, таких как звезды, звездные скопления и газовые облака, которые вращаются вокруг центра Млечного Пути. Используя движение этих объектов, исследователи рассчитали, сколько массы, видимой и темной, содержит галактика.
Вселенная
В космосе, к сожалению, нет видимых орбитальных партнеров. Здесь стандартная гравитационная шкала ломается.
Абсолютный размер Вселенной неизвестен, и она постоянно расширяется, поэтому ее масса также не определена. Однако астрономы могут определить объем наблюдаемой Вселенной, основываясь на расстоянии, которое свет смог преодолеть с момента Большого взрыва до наших дней.
Но плотность существования, усредненную по всем планетам, звездам, галактикам и пустотам космоса, оказалось сложно измерить. Одна из оценок была получена с помощью зонда микроволновой анизотропии Уилкинсона (WMAP), спутника, который с 2001 по 2010 год измерял теплые и холодные пятна в самом раннем свете Вселенной. Эти пятна - остатки борьбы за власть, начавшейся, когда молодая Вселенная была заполнена плотным супом из материи и света. Гравитация притягивала частицы друг к другу, а свет толкал их друг от друга, создавая пульсации, которые росли вместе с расширяющимся космосом, пока WMAP не обнаружил их. На основе закономерностей этих колебаний сегодня космологи могут рассчитать возраст и состав Вселенной, включая ее общую плотность: около шести протонов на кубический метр.
Это число технически представляет собой плотность энергии (поскольку материю и энергию можно преобразовать с помощью знаменитого уравнения Эйнштейна), поэтому оно включает в себя видимую материю, темную материю и неизвестную темную энергию, движущую расширением Вселенной. WMAP и его преемник, спутник "Планк", подсчитали, что по этой метрике Вселенная состоит примерно на 5 процентов из видимой материи, на 27 процентов из темной материи и на 68 процентов из темной энергии.
Таким образом, космологи могут, подобно Кавендишу в 1798 году, объединить свои оценки объема и плотности объекта, чтобы оценить общую массу Вселенной как что-то вроде 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 кг.
