Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Кристиансен Йостейн Рисер

Но как же «увидеть» невидимую материю? Как нам удалось нарисовать синие точки? Секрет заключается в технике с красивым названием — гравитационное линзирование. Солянка из космических линз.

Гравитационное линзирование. Все просто: гравитация, или сила тяжести, может использоваться как космическая суперлинза. Каким образом?

Мы привыкли к тому, что сила тяжести меняет маршрут материи. Если вы пнете футбольный мяч и он полетит под углом вверх, то сила тяжести рано или поздно изменит траекторию мяча так, что он повернется и упадет на землю. Изменения в направлении света для нас также не новость. Например, мы используем стеклянные линзы для создания очков, увеличительных луп и микроскопов. Но сила тяжести абсолютно так же влияет на траекторию света. Это явление впервые описано Эйнштейном в начале XX века в рамках теории относительности и с тех пор изучено в ряде экспериментов.

Немногие — скорее, вообще никто — замечают игру гравитационной линзы со зрительным восприятием по дороге на работу или обратно. Причина этому достаточно простая: явление совершенно незаметно, если только мы не наблюдаем за огромными расстояниями и мощной силой тяжести. Если мы, например, переключим внимание с Земли на скопления галактик и большое количество материи, то увидим как невероятные расстояния, так и большое количество материи, которые, в свою очередь, создают сильнейшую гравитацию. Тогда и можно наблюдать гравитационное линзирование.

Вы когда-нибудь смотрели на свечу сквозь основание ножки винного бокала? Помните же, как причудливо изгибается и искажается пламя. Пламя искажается, а степень искажения зависит от формы ножки. Искажение пламени свечи в этом случае очень напоминает искажение света в гравитационной линзе.

Скопление галактик в этом случае заменяет ножку бокала. Отдаленные галактики за скоплением галактик выступают в качестве свечи. Форма далеких галактик будет искажаться при прохождении света через скопление галактик. Из-за этого искажения свет принимает дугообразные и округлые формы, а галактики видно одновременно в нескольких местах на небе. Чем больше материи в скоплении галактик, тем сильнее действует сила тяжести и тем сильнее будет искажено изображение отдаленных галактик. Изучая форму далеких галактик, видимых через разные части скопления галактик, мы можем таким образом создать карту распределения вещества в скоплении галактик. На этой карте будет также отражена и темная материя, поскольку она создает гравитационную силу.

Скопление галактик Abell 2218 — красивый пример гравитационного линзирования. Длинные дуги — это свет от лежащих позади галактик, сгибаемый гравитацией Abell 2218.

На этом снимке изображено скопление галактик Abell 2218 — одна из самых красивых из известных нам систем гравитационных линз. Все тонкие арки, которые вы видите на картинке, представляют собой далекие галактики, где свет был повернут силами гравитации. Когда смотришь на скопление галактик на заднем плане, то благодаря гравитационным силам ощущение такое, будто разглядываешь празднично освещенную рождественскую елку через бокал красного вина. То, насколько изгибаются отдаленные галактики, позволяет определить количество вещества в скоплении.

И хотя скопление Пуля не может предоставить такие же арки их линз, как Abell 2218, мы все же в состоянии найти достаточно искаженных галактик, чтобы определить, сколько вещества находится в разных местах скопления. Именно это и стало основанием для синих пятен, выявляющих темную материю.

Гравитационное линзирование — очень мощный инструмент, позволяющий примерно рассчитать массу скопления галактик. Уникальная особенность скопления галактик Пуля — это мощное столкновение, которое разделило обычную и темную материю так, что они находятся в разных местах.

Было бы тяжело наблюдать за Пулей без упоминания темной материи. Рассуждения соблазнительно просты — так и тянет сразу сказать, что это скопление галактик дает нам неоспоримое доказательство существования темной материи.

На самом деле все наши рассуждения очень упрощены. Я писал, что газ в скоплении галактик сталкивается и останавливается в области столкновения. Но скопления галактик состоят не только из газа, а как минимум еще и из бесчисленных галактик с миллиардами звезд. Какова вероятность того, что при этом столкнутся две галактики? А если они столкнутся, то что? Мы уже поняли, какое расстояние между звездами в нашей галактике: кокос в Осло, грецкий орех в Сахаре и так далее. Следовательно, при столкновении галактик звезды расположатся на безопасном расстоянии друг от друга. На звезды и галактики действительно будут взаимно влиять гравитационные силы, и поэтому они начнут двигаться в новых направлениях и с новыми скоростями, однако никакого космического фейерверка не произойдет.

Возможно, галактики и звезды из двух скоплений проходят друг через друга и создают синие поля. Тогда при чем здесь темная материя? К сожалению, не все так просто. Если принять во внимание, что скопления галактик состоят из огромного количества звезд, сложно толковать изображение Пули без темной материи.

Но все же стоит помнить, что скопление галактик Пуля, несмотря на столь умно расположенные розовые и синие точки, не предоставляет нам никакого окончательного и достоверного доказательства существования темной материи. Ведь, как уже говорилось ранее, чтобы утверждать существование огромного количества необычной темной материи, нужно необычайно надежное доказательство. Недостаточно просто посмотреть на одно или парочку столкновений галактик: темную материю, скорее, стоит искать во множестве мест и при помощи множества наблюдательных техник. И уже впоследствии исключить возможность всех альтернативных объяснений. Например, саму темную материю мы не видим, а только ее воздействие на силу тяжести. Может, ошибается наш закон всемирного тяготения? И если темная материя существует, не должен ли он ее объяснять? Темная материя тоже состоит из маленьких частиц, как и все известные нам материи? И что же это тогда за частицы?

Вопросов много, а Пуля — лишь маленький кусочек пазла о темной материи, к которому на протяжении этой книги мы добавим еще немало других кусков.

Осознав, насколько необъяснимо огромное количество темной материи находится во Вселенной, начинаешь задумываться: а что мы вообще знаем про обычную, объяснимую материю? Как можно с уверенностью говорить о веществе, из которого состоят звезды и галактики, если они находятся за пределами нашего осязания?

2.2. Старый кофе и французская философия

Утро. Вы сонно исследуете кухню в поисках завтрака. Но странный предмет на кухонном столе между хлебными крошками и недочитанными газетами привлекает ваш взгляд — белая чашка. В ней можно различить мистическую жидкую черную субстанцию. «Кофе!» — радуетесь вы. Но в голову вам тут же закрадываются сомнения. Как узнать наверняка, что перед вами именно кофе? А если это соевый соус? Или старое машинное масло? Конечно, можно понюхать или попробовать субстанцию, но опыт подсказывает, что ваши ощущения в такую рань могут и подвести. Поэтому вы скорее отправите чашку своей подруге-химику и попросите провести тщательный анализ темной жидкости. В лаборатории подруга-химик серьезно подходит к просьбе. Она измеряет pH, температуру плавления и кипел кристаллизирует, хроматографирует, делает масс-спектрометрический анализ или что там еще делают химики. Вывод однозначен: в чашке кофе арабика темной обжарки с чайной ложкой сахара.

Выяснить, из какого вещества сделаны различные предметы, вполне реально. Однако предварительным условием для анализа кофе было то, что кофейная чашка здесь, на Земле, доступна для измерений и анализа. А как насчет предметов, находящихся в космосе, далеко за пределами досягаемости даже самого амбициозного аэрокосмического сценария? Как тогда понять, из чего состоят объекты?