Космическое ДТП на 700 миллионов тонн в секунду
Представьте себе сцену: две фуры, каждая размером с небольшой город и набитая доверху всяким скарбом, несутся навстречу друг другу со скоростью, от которой у пилота истребителя закружилась бы голова. А теперь увеличьте масштаб. Вместо фур — два скопления галактик, каждое из которых содержит сотни таких звёздных мегаполисов, как наш Млечный Путь. Вместо асфальта — пустота космоса. А скорость — не жалкие сотни километров в час, а несколько миллионов. То, что произошло в созвездии Киля примерно 150 миллионов лет назад, было не просто аварией. Это было событие титанического, почти непостижимого масштаба, последствия которого астрономы разглядывают до сих пор, как следователи, изучающие место крушения. И то, что они там нашли, перевернуло наши представления о Вселенной. Это место получило прозаичное название — скопление Пули, или 1E 0657-56.
Когда эти два колосса столкнулись, произошло нечто странное. Галактики, состоящие в основном из пустоты, по большей части прошли друг сквозь друга, как два призрачных эшелона. Звёзды слишком малы и находятся слишком далеко друг от друга, чтобы всерьёз столкнуться. А вот гигантские облака раскалённого газа, которые заполняли пространство между галактиками в каждом скоплении, так просто разойтись не смогли. Они врезались друг в друга с чудовищной силой, как две волны цунами. Этот газ, составляющий львиную долю всей «нормальной», видимой материи в скоплениях, резко затормозил, сжался и раскалился до десятков миллионов градусов. Сегодня рентгеновские телескопы, вроде старичка «Чандры», видят эту массу как два гигантских, светящихся в рентгене «крыла» из плазмы, застрявших в центре столкновения. Это, так сказать, искорёженный металл и обломки с места ДТП.
Но самое интересное — это то, чего мы не видим глазами. Когда астрономы направили на это место телескопы и начали измерять, где же сосредоточена основная масса, их ждал сюрприз. Оказалось, что большая часть гравитации, тот самый «вес» скоплений, находится вовсе не там, где светится раскалённый газ. Основная масса, словно ни в чём не бывало, пролетела дальше, обогнав видимое вещество. По обе стороны от газового облака находятся два невидимых сгустка, два гравитационных центра, которые продолжают своё движение. Это выглядело так, будто после столкновения каркасы автомобилей остались на месте аварии, а их невидимая суть беспрепятственно проследовала дальше. Эти невидимые «сущности» и есть то, что мы называем тёмной материей. Скопление Пули стало первым и самым наглядным «вещественным доказательством» её существования. Это была не теория, не компьютерная модель, а реальная фотография, на которой обычное вещество и тёмная материя оказались разделены в пространстве после космической катастрофы.
Охота на призрака в рукавах галактик
Идея о том, что Вселенная набита какой-то невидимой дрянью, родилась не вчера. Ещё в 1930-х годах швейцарский астроном Фриц Цвикки, человек с непростым характером, но гениальной интуицией, изучал скопление галактик в созвездии Волосы Вероники. Он подсчитал, как быстро галактики на окраинах этого скопления носятся вокруг общего центра масс. И у него не сошёлся дебет с кредитом. Галактики двигались так быстро, что видимой массы всего скопления — всех звёзд, газа и пыли — было катастрофически недостаточно, чтобы удержать их своей гравитацией. По всем законам небесной механики, это скопление должно было разлететься во все стороны, как капли от вращающейся мокрой собаки. Чтобы оно оставалось стабильным, ему требовалось в сотни раз больше массы, чем было видно в телескоп. Цвикки, недолго думая, назвал эту недостающую массу «тёмной материей». Коллеги тогда покрутили пальцем у виска. Идеи Цвикки часто опережали своё время, да и репутация у него была как у несносного чудака, так что на его открытие по большому счёту махнули рукой.
Вторую жизнь в эту идею вдохнула Вера Рубин в 1970-х. Она не изучала далёкие скопления, а методично, с упрямством и скрупулёзностью, измеряла скорость вращения отдельных спиральных галактик, вроде нашей соседки Андромеды. Логика подсказывала, что звёзды на окраинах галактического диска должны вращаться медленнее, чем звёзды ближе к центру, где сосредоточена основная масса. Точно так же, как в Солнечной системе Плутон ползёт по своей орбите гораздо медленнее, чем Меркурий. Но то, что обнаружила Рубин, противоречило здравому смыслу. Скорость звёзд на окраинах галактик не только не уменьшалась, но и оставалась практически постоянной. Кривые вращения галактик были «плоскими». Это было всё равно что обнаружить, что Плутон носится вокруг Солнца с той же скоростью, что и Земля. Объяснение могло быть только одно: видимый диск галактики погружён в огромное, сферическое гало из невидимой материи, которая простирается далеко за пределы видимых звёзд. Именно гравитация этого невидимого гало и заставляет звёзды на окраинах двигаться так быстро.
Работа Веры Рубин была настолько убедительной, что отмахнуться от неё было уже невозможно. Астрономы поняли, что призрак, которого первым заметил Цвикки, обитает не только в далёких скоплениях, но и у нас под боком, в каждой галактике. Вселенная оказалась совсем не такой, какой мы её себе представляли. Видимый мир — звёзды, планеты, мы с вами — это лишь тонкая пенка, около 5% от общей массы-энергии Вселенной. Ещё примерно 27% — это таинственная тёмная материя, а оставшиеся 68% — и вовсе загадочная тёмная энергия, заставляющая Вселенную расширяться с ускорением. Мы живём в мире, который на 95% состоит из чего-то, о чём мы не имеем ни малейшего понятия. Мы видим лишь верхушку айсберга, а вся его подводная часть остаётся для нас невидимой. И скопление Пули стало тем самым местом, где эта подводная часть на мгновение показалась на поверхности.
Эйнштейновы весы и космические миражи
Как же можно «взвесить» то, что не излучает, не поглощает и не отражает свет? Как поймать призрака, который проходит сквозь стены? Ответ на этот вопрос дал Альберт Эйнштейн со своей Общей теорией относительности. Он показал, что гравитация — это не сила, которая тянет предметы друг к другу, а искривление самого пространства-времени. Представьте, что пространство — это натянутое резиновое полотно. Любой массивный объект, будь то звезда или целое скопление галактик, продавливает это полотно, создавая в нём «ямку». А свет, пролетая мимо этой ямки, вынужден двигаться по искривлённой траектории. Этот эффект называется гравитационным линзированием.
Для астрономов это настоящий подарок. Массивное скопление галактик работает как гигантская естественная линза в космосе. Свет от ещё более далёких галактик, находящихся за скоплением, проходя через его гравитационное поле, искажается и усиливается. Мы видим эти фоновые галактики не как точки, а как вытянутые дуги, арки или даже множественные изображения, словно смотрим на них через кривое донышко стакана. И по степени этого искажения, по тому, насколько сильно «скривилось» изображение далёкой галактики, учёные могут с невероятной точностью рассчитать массу линзы — то есть массу скопления, которое вызвало это искажение.
Самое главное, что гравитационному линзированию абсолютно всё равно, из чего состоит эта масса. Ему неважно, светится она или нет. Оно реагирует на общую массу — и видимую, и тёмную. Это и есть те самые «весы», которые позволяют взвешивать невидимое. Когда астрономы применили этот метод к скоплению Пули, они смогли составить карту распределения массы в нём. И эта карта чётко показала два массивных сгустка, идеально совпадающих по положению с теми самыми невидимыми «сущностями», которые пролетели сквозь центр столкновения. А в центре, там, где рентгеновские телескопы видят облака раскалённого газа, гравитационное линзирование показало лишь незначительную долю общей массы.
Новые данные, полученные с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб», позволили заглянуть в это космическое кривое зеркало с небывалой чёткостью. «Уэбб», работающий в инфракрасном диапазоне, способен видеть гораздо более тусклые и далёкие фоновые галактики, чем его предшественник «Хаббл». Это всё равно что поменять старые, мутные очки на новые, с высоким разрешением. Благодаря «Уэббу» учёные смогли использовать для анализа в десятки раз больше линзированных галактик, что позволило составить самую подробную на сегодняшний день карту распределения тёмной материи в скоплении Пули. Новые измерения подтвердили старые выводы, но с гораздо большей точностью. Были выделены три основных концентрации масс: два больших сгустка, соответствующих двум столкнувшимся скоплениям (массой примерно в 160 квадриллионов масс Солнца каждый), и один поменьше. Эти данные не оставили камня на камне от альтернативных теорий, которые пытались объяснить аномалии вращения галактик без привлечения новой сущности, например, модифицируя законы гравитации на больших расстояниях. Скопление Пули наглядно показало: гравитация работает так, как предсказывал Эйнштейн, а невидимая масса — реальна.
Горячий след и холодный призрак
Уникальность скопления Пули в том, что оно позволило нам увидеть, как по-разному ведут себя обычная и тёмная материя при столкновении. Это как два разных типа материи на поле боя. Обычная, барионная материя (из которой состоят протоны, нейтроны, то есть звёзды, газ и мы с вами) активно взаимодействует сама с собой через электромагнитные силы. Частицы газа сталкиваются, трутся друг о друга, тормозят, разогреваются — ведут себя как толпа на стадионе. Именно поэтому газовые облака двух скоплений не смогли пройти друг сквозь друга и застряли в центре, образовав ударную волну, похожую на ту, что создаёт сверхзвуковой самолёт. Рентгеновская обсерватория «Чандра» видит эту картину в мельчайших деталях: раскалённая до 100 миллионов градусов плазма, богатая железом и другими элементами, выкованными в звёздах. Это горячий, яркий и вполне осязаемый след космического события.
Тёмная материя — субстанция совсем другого толка. Она, судя по всему, практически не взаимодействует ни с обычной материей, ни сама с собой, кроме как через гравитацию. Её частицы, какими бы они ни были, не сталкиваются, не трутся и не тормозят. Они проходят друг сквозь друга, как призраки. Поэтому, когда два гигантских гало тёмной материи, в которые были погружены скопления, встретились, они просто пролетели дальше, даже не заметив друг друга. Они ведут себя не как толпа, а как два роя комаров, пролетающих один сквозь другой. Именно этот эффект — разделение горячего, «липкого» газа и холодных, «скользких» призраков тёмной материи — и делает скопление Пули таким важным для науки.
Это прямое наблюдательное доказательство того, что тёмная материя — это не просто какой-то неучтённый газ или пыль, и не дефект в наших теориях гравитации. Это нечто принципиально иное. Если бы тёмной материи не существовало, а эффект создавался бы модифицированной гравитацией, то центр гравитационного линзирования должен был бы совпадать с центром масс видимого вещества, то есть с облаком горячего газа. Но мы видим прямо противоположное. Гравитация «улетела» вперёд вместе с невидимыми сгустками, оставив позади основную часть барионной массы. Это и есть тот самый неопровержимый довод, который искали космологи.
Совмещая данные с разных телескопов, учёные создают многослойную картину этого события. Оптические телескопы показывают нам галактики. Рентгеновские — раскалённый газ. А анализ гравитационного линзирования (в основном с «Хаббла» и теперь с «Уэбба») накладывает на эту картину контуры невидимой тёмной материи. И когда все эти слои совмещаются, получается неопровержимая улика: тёмная материя существует, и она ведёт себя совсем не так, как привычный нам мир. Она формирует невидимый каркас, гравитационный скелет Вселенной, на который уже потом, как мясо на кости, нарастает видимое вещество. Без этого скелета ни галактики, ни скопления галактик просто не смогли бы сформироваться. Они бы так и остались разреженными облаками газа, неспособными собраться в те структуры, которые мы наблюдаем сегодня.
Новое око для старой загадки
Так что же это за зверь такой, тёмная материя? Скопление Пули и десятки других подобных объектов убедили нас в том, что она есть. Но они не дали ответа на главный вопрос: из чего она состоит? Это одна из величайших загадок современной физики. У нас есть несколько «подозреваемых», но ни один из них пока не пойман за руку. Главные кандидаты — это так называемые слабо взаимодействующие массивные частицы. Это гипотетические частицы, которые тяжелее протона, но взаимодействуют с обычным веществом настолько слабо, что обнаружить их практически невозможно. По всему миру, в глубоких подземных лабораториях, строят гигантские детекторы, наполненные жидким ксеноном или другими веществами, в надежде поймать хотя бы одну такую частицу, которая случайно врежется в ядро атома. Пока — безрезультатно.
Есть и другие гипотезы. Например, аксионы — чрезвычайно лёгкие частицы, предсказанные для решения одной из проблем в физике элементарных частиц. Или стерильные нейтрино — гипотетические «старшие братья» обычных нейтрино, которые взаимодействуют с миром ещё слабее. Есть даже экзотические идеи о том, что тёмная материя может состоять из первичных чёрных дыр, возникших в первые мгновения после Большого Взрыва. Список подозреваемых длинный, но улик против кого-то конкретного пока нет.
И здесь на сцену снова выходит телескоп «Джеймс Уэбб». Его невероятная чувствительность и способность заглядывать в самые ранние эпохи Вселенной могут дать нам новые ключи к разгадке. Изучая самые первые галактики, которые начали формироваться всего через несколько сотен миллионов лет после Большого Взрыва, «Уэбб» может помочь нам понять, как тёмная материя вела себя на заре времён. Если первые звёзды и галактики формировались внутри сгустков тёмной материи, то их распределение и свойства должны нести на себе отпечаток свойств этой загадочной субстанции.
Более того, «Уэбб» позволяет изучать гравитационное линзирование с беспрецедентной детализацией. Он может не просто «взвешивать» большие сгустки тёмной материи, но и изучать её распределение в гораздо меньших масштабах, внутри отдельных галактик и даже в межгалактическом пространстве. Это может помочь проверить некоторые теории. Например, если тёмная материя состоит из очень лёгких частиц, она должна быть «пушистой» и не могла бы образовывать очень плотные компактные структуры. Если же она состоит из тяжёлых частиц, то мы должны видеть более мелкие и плотные сгустки.
Скопление Пули было первым шагом, громким и ясным заявлением о том, что невидимый мир реален. Теперь, с помощью таких инструментов, как «Джеймс Уэбб», мы переходим от простого доказательства существования к детальному расследованию. Охота на призрака продолжается. Мы научились видеть его тень, измерять его вес и наблюдать за тем, как он проходит сквозь стены. Но мы всё ещё не знаем, каков он на самом деле. И каждая новая фотография далёкого космоса, каждый новый искажённый лучик света от древней галактики приближает нас к разгадке этой величайшей тайны мироздания.