Текст книги "Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей"

Рис. 3.7. Система TRAPPIST-1 в видении художника. Размеры звезды и планет показаны не в масштабе в сравнении с расстояниями

Чемпион по резонансам – не Солнечная система, а звезда TRAPPIST-1 и ее планеты. Эта звезда – ультрахолодный красный карлик, имеющий пять планет размером почти как Земля и еще две несколько меньшие, хотя и превосходящие по размеру Марс (рис. 3.7). Все эти планеты находятся существенно ближе к своей звезде, чем наш Меркурий к Солнцу, но из-за того, что звезда светит очень слабо, целые три планеты (e, f и g) расположены в зоне, потенциально пригодной для жизни[49]49
  Планеты обозначаются прибавлением буквы к названию звезды; при этом используются буквы начиная с b.


[Закрыть]. При этом самая близкая к звезде планета обращается вокруг звезды за время около полутора земных суток, а самая дальняя – за неполные 19 суток, так что картина в небе каждой из планет выглядит оживленно. Планеты b и c обращаются по таким близким орбитам, что одна должна быть практически постоянно видна с другой, временами становясь даже больше, чем Луна в земном небе. И все вместе – это пир резонансов: планеты c, d, e, f, g, h находятся с самой внутренней планетой b в резонансах 8: 5, 8: 3, 4: 1, 6: 1, 8: 1 и 12: 1. Гармонии в этом оказалось достаточно для того, чтобы положить ее на музыку (см. литературные комментарии к этой прогулке).

Командовать естественными спутниками нам не под силу, но мы в состоянии распорядиться целочисленными отношениями для собственной пользы, если речь идет об орбитах космических аппаратов в системе нескольких тел. 18 апреля 2018 г. ракета «Фалькон-9» компании SpaceX вывела в космос сменщика «Кеплера» в деле поиска экзопланет – космический телескоп TESS[50]50
  Transiting Exoplanet Survey Satellite – в переводе «космический телескоп [предназначенный] для открытия экзопланет транзитным методом». Это метод поиска экзопланет, альтернативный измерению скорости вдоль луча зрения по спектрам.


[Закрыть]. Он отправился к ранее никогда не использовавшейся орбите в резонансе 2: 1 с Луной. Для этого телескоп сначала дождался свидания с Луной, летая по сильно вытянутым эллипсам (рис. 3.8). Лунная гравитационная праща отправила его на переходную орбиту, откуда он в конце концов перебрался на орбиту вокруг Земли с периодом обращения 13,7 суток – это ровно половина периода обращения Луны; такая пара орбит и называется резонансной в отношении 2: 1. Максимальное удаление от Земли на этой орбите на 11 000 км меньше среднего расстояния до Луны. Неконтролируемого (различного от витка к витку) влияния Луны удается в этом случае избежать потому, что в момент наибольшего удаления телескопа от Земли Луна при взгляде с земной поверхности находится под углом 90° к нему. Начав с этого положения, стоит попробовать «анимацию для бедных»: поводить пальцами по рис. 3.8, следя за правилом 2: 1 – делая два оборота спутника на каждый оборот Луны вокруг Земли (у меня это получилось в варианте «половина оборота Луны на каждый полный оборот спутника»). Картина полностью повторяется с каждым следующим оборотом Луны – ничего нового не происходит, чего, собственно, и хотелось. Как видно, половину своего периода обращения Луна находится по одну сторону от орбиты TESS, а половину – по другую, в результате чего ее усредненное влияние на орбиту телескопа оказывается близким к нулю. И заодно диск Луны не мешает наблюдениям.

Рис. 3.8. Путешествие телескопа TESS к орбите в резонансе 2: 1 с Луной

TESS ищет планеты в основном не дальше 200 световых лет – намного ближе, чем это делал «Кеплер», который обнаружил основную массу своих планет на расстояниях от 300 до 3000 световых лет (пожалуй, чем ближе, тем интереснее). В начале января 2020 г. TESS, счет которого на планеты к этому моменту уже перевалил за 1500, обнаружил свою первую планету, близкую по размеру к Земле (лишь немного ее превосходящую) и, главное, обращающуюся на таком расстоянии от своей звезды, что там может существовать жидкая вода (правда, год там примерно в десять раз короче нашего – звезда тусклая, из-за чего подходящий температурный режим и оказался возможным на планете, обращающейся совсем близко к звезде). Находится этот мир (TOI 700 d) всего в сотне световых лет отсюда. По итогам первых трех лет работы, подведенным в январе 2022 г., телескоп обнаружил пять с лишним тысяч кандидатов в экзопланеты; мы ждем от него новых экзопланет земного типа еще ближе к нам.

*****

Тайна девятой планеты. Резонанс – не обязательно демократическое мероприятие с примерно равными партнерами (скажем, двумя планетами или двумя спутниками). Большие планеты во главе с Юпитером командуют тем, в каком резонансе с ними двигаться более мелким телам – в первую очередь астероидам; примеров в Солнечной системе в избытке. Юпитер, собственно говоря, не дал сформироваться планете там, где сейчас находится пояс астероидов (это не обломки того, что когда-то развалилось, а строительный материал, который не пошел в дело). Но что, если «подчиненное» положение нескольких тел усмотреть можно, а причины его не видно? «Нептун наших дней» то ли угадан, то ли нет по признакам более тонким, чем несоответствие кеплерову эллипсу. Наоборот, потребовалось несколько эллипсов. Эта детективная история развивается в той области, которая была открыта и осознана как неотъемлемая и интересная часть Солнечной системы только в конце XX в.

Солнечная система состоит не только из планет и вовсе не заканчивается последней планетой – Нептуном, находящимся на расстоянии около 30 а.е. от Солнца. Далеко за его орбиту простирается мир из тысяч каменно-ледяных кусков разного размера, которые неспешно летают вокруг Солнца и все вместе называются транснептуновыми объектами. (Еще дальше расположено – строго говоря, гипотетическое – облако Оорта, о котором мы говорить здесь не будем.) Подавляющее большинство из них значительно меньше километра в диаметре, но есть и карликовые планеты; впрочем, статус некоторых объектов может меняться по мере их изучения, которое в целом представляет собой сложную задачу из-за того, что они и достаточно малы, и далеко находятся, и медленно движутся (последнее означает трудности с определением их орбит). Самые большие из идентифицированных транснептуновых тел показаны на рис. 3.9. «Вояджер-1» и «Вояджер-2» не исследовали это собрание, потому что о его существовании перед их стартом еще не подозревали. На рис. 3.10 показано, как космический телескоп «Хаббл» видит некоторые карликовые планеты.

Рис. 3.9. Сравнительные размеры Земли, Луны и самых крупных транснептуновых объектов, включая пару Плутон/Харон. У некоторых других занептунных тел тоже установлено наличие спутников

Рис. 3.10. Как космический телескоп «Хаббл» видит карликовые планеты: Седна, Макемаке и Эрида со своим спутником Дисномия

Те транснептуновые объекты, на движение – т. е. на орбиты – которых тем или иным способом повлияла последняя из планет (Нептун, разумеется), относят к так называемому поясу Койпера. Некоторые из этих замерзших кусков состоят в разнообразных резонансах с Нептуном. Те, которые устроились в резонансе 3: 2, называются плутино (мн. ч.) по той причине, что именно в таком резонансе с Нептуном пребывает и сам Плутон, который относится не к «настоящим», а к карликовым планетам и по характеру своего движения тоже представляет собой плутино (ед. ч.). По мере удаления от Солнца встречаются тела и в других резонансных соотношениях, наиболее широко из которых представлены 5: 3 и (еще дальше от Солнца) 2: 1. А между ними (в интервале больших полуосей примерно от 42 до 48 а.е.) лежат орбиты большинства нерезонансных обитателей пояса Койпера: они «просто» летают, не приближаясь слишком сильно к Нептуну, который поэтому оказывает на них эпизодическое, нерегулярное воздействие. По этой причине параметры их орбит – если смотреть на весь этот класс в целом – распределены довольно хаотическим образом. А из-за того, что суммарная масса объектов пояса Койпера очень невелика – всего около 2 % массы Земли, друг на друга они влияют слабо. В целом в транснептуновом мире картина орбит, большие полуоси которых лежат в пределах 100 а.е., понятна в том отношении, что так или иначе отражает известное нам влияние больших планет Солнечной системы.

Тела на орбитах, проходящих еще дальше от Солнца, за пределами пояса Койпера, распределены более редко и составляют так называемый рассеянный диск; они максимально приближаются к Солнцу на расстояния в интервале от 30 до 38 а.е., но их наибольшее удаление составляет многие десятки и первые сотни астрономических единиц. Карликовые планеты, кстати, встречаются в разных категориях: например, Хаумеа и Макемаке относятся к поясу Койпера, Эрида – представитель рассеянного диска, а Седна лежит в отдельном подклассе «обособленных объектов» – тех, которые даже при своем максимальном приближении к Солнцу остаются на расстоянии не менее 40 а.е. от него. Кроме обособленных объектов, имеется и «смешанный класс» тел, названных по этому поводу кентаврами: их орбиты сильно вытянуты, из-за чего они время от времени ныряют в область влияния планет (на расстояния около 30 а.е. от Солнца), но потом надолго уходят очень далеко, до расстояний, измеряемых первыми тысячами астрономических единиц. Эти обособленные и «почти обособленные» объекты – встречающиеся, хотя и не очень широко распространенные в далекой занептунщине – и оказались главными свидетелями в развивающейся детективной истории.

Обособленные объекты и отчасти кентавры имеют «незагрязненные» орбиты: воздействие Нептуна на них слишком слабо и для того, чтобы установить резонансы, и для того, чтобы «хаотизировать» общую картину орбит, которые в резонанс не попали. Поэтому если в орбитах обособленных объектов удается усмотреть какую-то регулярность, то стоит задуматься о ее причине. В 2016 г. – когда гипотезы о неизвестных телах, оказывающих влияние на занептунщину, уже несколько лет обсуждались научным сообществом – Браун (среди прочего первооткрыватель Седны) и Батыгин собрали вместе несколько наблюдаемых примеров таких регулярностей и предложили им единое объяснение. Вообще-то все эти орбиты имеют только один гарантированно общий элемент – Солнце в фокусе – и при этом раскиданы в пространстве самыми разными способами: они вовсе не лежат в плоскости эклиптики, линии пересечения орбит с плоскостью эклиптики имеют различные ориентации, а каждый эллипс в большей или меньшей степени «повернут на бок» в своей плоскости по отношению к плоскости эклиптики. Однако шесть транснептуновых объектов (Седна, 2012 VP₁₁₃, 2004 VN₁₁₂, 2010 GB₁₇₄, 2007 TG₄₂₂ и 2013 RF₉₈) – достаточно далеких, летающих по вытянутым эллипсам с большими полуосями не менее 250 а.е. – демонстрируют интригующую согласованность: если плоскость каждой орбиты мысленно совместить с плоскостью эклиптики, поворачивая вокруг линии пересечения двух плоскостей, то неожиданно близкими друг к другу окажутся направления от Солнца на перигелии – точки максимального приближения каждого тела к светилу. И это не все! Эллипсы, по которым летают объекты из частично другой шестерки (Седна, 2012 VP₁₁₃, 2004 VN₁₁₂, 2010 GB₁₇₄, 2000 CR₁₀₅ и 2010 VZ₉₈), сходны в том, в какой степени они «повернуты на бок» по отношению к плоскости эклиптики: двигаясь от точки пересечения с эклиптикой до перигелия, каждое из этих тел совершает поворот на примерно один и тот же угол, если смотреть от Солнца. Конечно, никто еще не видел эти объекты в перигелиях (для этого пришлось бы ждать сотни или даже тысячи лет), но, как только несколько последовательных наблюдений позволяют определить эллипс, большого выбора не остается – мы знаем про этот эллипс все, в том числе и скорость движения по нему. Имеются, кроме того, и другие признаки сходства между рядом орбит, включая их наклонение к плоскости эклиптики.

Некоторые транснептуновые орбиты организованы неожиданно регулярно

Беспричинные совпадения такого рода не просто маловероятны; например, концентрация направлений на перигелии не может сохраняться даже в течение времени в одну десятую возраста Солнечной системы: за такой период времени перигелии «разбредутся» кто куда по всем 360 градусам из-за прецессии. Прецессия орбиты – это (медленный) поворот самого эллипса, в данном случае вызванный наличием больших планет в Солнечной системе. Да, планеты оказывают на обособленные объекты только усредненное воздействие, но создаваемая ими добавка к притяжению Солнца, пусть численно и небольшая, качественно меняет движение: кеплеровы эллипсы начинают поворачиваться[51]51
  С поворачивающимися эллипсами мы очень скоро встретимся по другому поводу; этот эффект показан на рис. 3.12.


[Закрыть]. Скорость поворота каждого эллипса зависит от того, каков в точности этот эллипс, поэтому для каждого тела скорость «ухода» перигелия получается своя собственная, и за время существования Солнечной системы от концентрации перигелиев, если она когда-то и имела место, не останется и следа – если только тут нет какого-то постоянно действующего механизма, поддерживающего эту концентрацию. И еще одна загадка обособленных тел связана с их орбитами как таковыми: как они, эти орбиты, получились такими «обособленными»? Наши представления об образовании и эволюции Солнечной системы подсказывают, что сформироваться эти тела должны были не там, где они находятся сейчас, а ближе к Солнцу, но в таком случае какое-то гравитационное взаимодействие должно было «закинуть» их на такие далекие орбиты, а Нептун на эту роль не подходит именно из-за того, насколько далеко за орбитой Нептуна находятся их перигелии.

Рис. 3.11. Орбиты нескольких транснептуновых тел и возможная орбита Планеты 9, которая их «выстраивает» (P9, показана более толстой линией). Полезно представлять себе масштаб: характерное расстояние от Солнца до Планеты 9 превышает расстояние от Солнца до Земли в полтысячи раз; орбиту Земли показать здесь в масштабе невозможно. Максимальное удаление объекта 2015 KG₁₆₃ от Солнца – около полутора тысяч расстояний от Земли до Солнца

Браун и Батыгин предложили механизм для ответа на весь этот набор вопросов в виде неизвестной планеты (рис. 3.11), которая определила особенности этих орбит своей гравитацией. Она – ничем более не известная Планета 9 – должна для этого улетать на максимальное расстояние от 400 до 800 а.е. от Солнца и иметь массу около пяти масс Земли. «Предложили» означает построили компьютерную модель, внутри которой сэр Исаак Ньютон распоряжается совместным поведением группы тел в далекой области Солнечной системы, из чего в результате видно, что при некоторых предположениях об орбите Планеты 9 ее гравитационное влияние примерно так и выстраивает орбиты этих тел, даже если вначале они были распределены каким-то случайным образом. Орбита самой «девятки» извлекается отсюда в довольно приблизительном описании; а в какой части этой орбиты планета находится сейчас, не может быть известно в принципе – поэтому неизвестно, куда смотреть, чтобы ее обнаружить. Этим ситуация, развивающаяся на наших глазах, отличается от истории с открытием Нептуна. Отличаются, кроме того, постановка задачи и метод рассуждений: ищется не причина аномалии, а, наоборот, причина «повышенной регулярности». И доверие к математическому подходу для поиска причины несравнимо с тем, которое только пробивало себе дорогу во времена Леверье: гипотеза Брауна и Батыгина широко обсуждается, предлагаются (как и полагается в науке, где скепсис – основа долгосрочного здоровья) альтернативные модели разной степени успешности, а планету тем временем ищут. Слабость отраженного света, испускаемого таким небольшим телом на столь большом расстоянии от Солнца, делает задачу его нахождения на фоне звезд поистине сложным испытанием для инструментов и методов наблюдательной астрономии. Дальнейшие вопросы возникнут, когда (если) Планету 9 найдут: каким образом такая планета смогла оказаться на такой далекой орбите? Как/где она сформировалась, притом что строительного материала в такой далекой области, судя по всему, недостаточно? (Пришла от другой звезды? Мигрировала из внутренних областей Солнечной системы? …?) На вопросы о причинах различных совпадений придется отвечать как-то иначе, если Планету 9 так и не найдут. И ее, наверное, перестанут активно искать, если появится радикально лучшая гипотеза, объясняющая «излишнюю упорядоченность» далеких орбит.

Мне бы хотелось, чтобы Планета 9 была обнаружена примерно в момент выхода этой книги из печати.

*****

Тайна первой планеты. Не все аномалии или другие особенности в наблюдаемом движении объясняются влиянием гипотетических новых тел, таких как Нептун или Планета 9. Очередное расхождение между наблюдениями и теорией возникло в середине XIX в. не на дальних рубежах Солнечной системы, а в непосредственной близости к Солнцу. В 1859 г. не кто иной, как Леверье, анализируя наблюдения за прошедшие полтора века, заметил, что Меркурий – первая планета от Солнца – движется по кеплерову эллипсу с небольшой неувязкой: сам этот эллипс медленно поворачивается, как это с огромным преувеличением показано на рис. 3.12. Причина или причины? Некоторые были известны Леверье: влияние других планет и несферичность Солнца. Самый точный, какой только был возможен, учет этих факторов сократил неувязку, но не убрал ее. Оставались лишние – никак не объясненные – 43′′ (угловые секунды) в столетие. Я боюсь и пытаться вообразить, как должен был себя чувствовать человек, чуть более десяти лет перед тем уже выследивший неизвестную планету на самом краю (как тогда считалось) Солнечной системы, когда теперь ему в руки верно шла еще одна, на этот раз в тесном соседстве с Солнцем; с каким замиранием сердца он должен был проверять свои вычисления, по которым предстояло обнаружить планету Вулкан! По удивительному стечению обстоятельств такие вычисления хорошо «сходятся» к вполне определенному результату, подсказывая массу планеты около трех масс Земли и период ее обращения вокруг Солнца в трое суток. Быстрая и горячая планета[52]52
  Трудно удержаться и не отметить обстоятельство, вообще неприменимое к Леверье, но не лишенное иронии в ретроспективе: сейчас мы знаем, что такие «горячие сверхземли» в изобилии встречаются у звезд типа Солнца!


[Закрыть].

Орбита Меркурия – не эллипс, а поворачивающийся эллипс

Рис. 3.12. Прецессия перигелия Меркурия – медленный поворот самого эллипса, представляющего собой орбиту Меркурия. Эффект показан с колоссальным преувеличением

Но испытанный прием – невидимая масса, которая сама движется таким образом, что вызывает наблюдаемую аномалию в движении Меркурия, – не сработал. Ничего похожего на планету или даже на рассеянные в близкой окрестности Солнца более мелкие тела обнаружено не было. Но что еще может портить прекрасную общую картину лишь для одной планеты, причем без внешнего вмешательства? Откровенно говоря, далее я рассуждаю не очень честно – задним числом, зная ответ. И тем не менее: самая близкая к Солнцу планета автоматически и самая быстрая, и в качестве виновницы аномалии можно было бы заподозрить скорость – достаточно большую, чтобы закон тяготения Ньютона требовал каких-то поправок. Правда, данных маловато. Если бы быстрых планет в Солнечной системе было несколько, то, вероятно, можно было бы сопоставить скорости поворота их эллипсов и скорости движения самих планет и отсюда сделать какое-то предположение о характере зависимости одного от другого. Получилось бы что-то вроде законов Кеплера – выжимка из наблюдений без углубления в механизмы, говорящая, что в зависимости от скорости планеты эллипс поворачивается вот на столько. Удалось ли бы внести зависимость от скорости в формулу собственно закона тяготения – большой вопрос. Как бы то ни было, других быстрых планет в Солнечной системе не нашлось, а никакие иные эксперименты по быстрому движению в гравитационном поле доступны не были. Разрешение загадки пришло не из наблюдений, а из очень концентрированных рассуждений, в результате которых ньютоновский закон тяготения (1.1) подвергся модификации, причем серьезной. Это случилось через 40 лет после смерти Леверье, для которого тайна Меркурия так и осталась неразгаданной. Новая, более изощренная теоретическая схема называется «общая теория относительности» (она же – теория гравитации Эйнштейна). Мы отложим подробности до позднейших прогулок; сейчас нам важно, что Меркурий, в отличие от Урана, нельзя было «спасти» неизвестным Вулканом и вместо этого пришлось серьезно модифицировать наши представления о том, как работает гравитация.

*****

Несогласное вращение. Идея о наличии во Вселенной невидимого вещества, которое выдает себя движением видимого, заявляла о себе на протяжении большей части XX в., только от нее долго отмахивались. На этот раз речь идет о расстояниях, в миллионы раз превышающих размер Солнечной системы, да и масштабы происходящего – не пара планет. Невидимая материя присутствует не в каком-то одном месте, а практически везде, где есть что-то видимое, причем неведомой и невидимой материи раз в пять больше, чем ведомой и видимой. Это поучительный момент в истории нашего открытия мира. Первые наблюдения в телескоп (Галилей) обнаружили подробности устройства небес, до того даже не предполагавшиеся (спутники Юпитера, например). Инерция человеческого восприятия и деления явлений на «естественные» (понятные) и «неестественные» (непонятные) даже породила в тот момент дискуссии, в какой степени наблюдаемое в телескоп можно отнести к свойствам самого телескопа. Далее выяснилось (Ньютон), что и яблоко, и Луна – вещь обыденная и вещь небесная – подчиняются одним и тем же законам движения и тяготения. После этого средства наблюдений за «небом» (Вселенной, как с этого момента лучше говорить) безостановочно совершенствовались, сообщая нам о многообразии структур и явлений, которые иногда не видны в обычный оптический телескоп, но ярко проявляют себя в других частях электромагнитного спектра. Дискуссии о том, до какой степени наблюдаемое с помощью радиотелескопа «является свойством радиотелескопа», уже не затевались, даже в связи с широко распространившейся «фотографией» черной дыры (рис. 3.13)[53]53
  Радиоволны с каким-то похожим распределением интенсивностей не пришли ни в один конкретный радиотелескоп: эта картина восстановлена из того, что получала система синхронизированных между собой радиотелескопов. Сколько бы пикселей ни содержалось в готовой «фотографии», это не идет ни в какое сравнение с объемом исходных данных: их нельзя было передать через интернет, вместо этого приходилось пересылать жесткие диски самолетами.


[Закрыть]. Казалось бы, мы научились неплохо видеть, что происходит во Вселенной, и при этом нам в общем понятно, чем она наполнена; в результате трехсотлетнего развития науки вся Вселенная выглядит доступной наблюдению и изучению (про сложные объекты в ней понятно, конечно, далеко не все, но по крайней мере ясно, что это за объекты и в каком направлении надо их изучать дальше). И тем не менее Вселенная в подавляющей степени состоит из того, что увидеть нельзя в принципе. «Небесное» в основной своей массе состоит не из того же, что и вещи вокруг нас, и даже не из того, что звезды или более диковинные, но так или иначе видимые объекты.

Рис. 3.13. «Фотография» гигантской черной дыры в центре галактики M87, полученная путем обработки результатов наблюдений с помощью системы синхро-низированных радиотелескопов

По крайней мере, мы так думаем, пытаясь объяснить движение того, что наблюдать можно и что мы научились наблюдать. Ключ к происходящему – галактики. Та материя, которую мы в состоянии видеть в телескопы (включая радио– и другие виды телескопов), не распределена во Вселенной равномерно, а собрана гравитацией в гигантские острова – галактики. В нашей галактике Млечный Путь находится Солнце; кроме него, там еще сотня (или несколько сотен) миллиардов звезд. Все это образование имеет плоскую форму (с разнообразными подробностями, которые мы опускаем) и в первом приближении представляет собой диск диаметром около 100 000 световых лет. Стоит представить себе, во сколько раз это больше Солнечной системы. Если провести границу Солнечной системы не там, где «Вояджер-1» недавно вышел из сферы доминирования солнечного ветра в спину и начал встречать галактический ветер в лицо, а взять, например, расстояние, на которое уходит от Солнца орбита транснептунового тела 2014 FE₇₂ – куда «Вояджеру-1» лететь еще 700 лет, – то Галактика окажется больше Солнечной системы примерно в миллион раз.

Рис. 3.14. Спиральная (Вертушка, она же NGC 5457, она же Мессье 101) и линзовидная (NGC 5308) галактики

Галактик много. Сравнительно близкая Андромеда находится от нас на расстоянии 2,5 млн световых лет, а одна из очень далеких – галактика MACS0647-JD – на расстоянии 13,3 млрд световых лет. Число галактик в наблюдаемой Вселенной оценивается в два триллиона (примерно десятая часть которых в принципе доступна наблюдению с помощью космического телескопа типа «Хаббл»). Среди галактик есть дисковые (их больше всего) – те, в которых в качестве основной структуры усматривается относительно плоский диск. Дисковые галактики не обязательно спиральные, как наша, бывают еще линзовидные (рис. 3.14). Но как бы то ни было, в дисковых галактиках звезды «организованным образом» обращаются вокруг центра масс всей галактики. С этим-то и проблема.

Как всегда, чтобы что-то обращалось вокруг центра, а не улетало прочь, требуется сила, направленная к центру. В космосе нет других вариантов для такой силы, кроме гравитации – в данном случае притяжения ко всему тому веществу (звездам и газу), которое в галактике имеется. Для какой-нибудь выбранной звезды или группы звезд притяжение «к центру» примерно обеспечивают все остальные звезды, находящиеся ближе к центру/оси вращения, чем данная звезда. Величина этой силы на разных расстояниях от центра определяется поэтому распределением вещества по галактике. Не сразу, но постепенно в течение XX в. появились средства измерения двух разных величин: скоростей, с которыми звезды участвуют во вращении, и количества вещества в галактиках на разных расстояниях от центра. Определяя их независимо, разумно проверить, всё ли сходится с законами Ньютона: действительно ли массы столько, что ее суммарного притяжения как раз хватает, чтобы поддерживать обращение с наблюдаемой скоростью. Результат: не сходится, причем сильно. Звезды движутся слишком быстро. Можно еще сказать, что наблюдается «нехватка гравитации»: ее недостаточно для поддержания наблюдаемого движения. И происходит это не в одной или нескольких галактиках, исследуемых на одном и том же телескопе (где могли бы закрасться какие-то систематические ошибки), а во множестве галактик. И не только внутри галактик: еще до того, как появилась возможность сопоставлять одно с другим внутри галактик, наблюдались слишком большие скорости самих галактик в скоплениях – слишком большие в том же смысле, что для поддержания такой скорости недостаточно видимого вещества. Движение в космосе упорно демонстрирует аномалию.

Звезды в галактиках обращаются быстрее, чем это могут обеспечить видимые причины

Со времен аномалии Урана наука стала более искушенной в оценке возможных способов разрешения таких ситуаций, но базисных вариантов все равно три: неправильные наблюдения, невидимые части мира, неправильная теория. Временно назовем эти варианты «ошибка», «нептун» и «меркурий». С «ошибкой» все понятно. В отношении обращения звезд вокруг центров галактик слишком много независимых данных говорит не просто о несоответствиях, но и о том, что они наблюдаются повсеместно, и возможную ошибку в наблюдениях уже несколько десятилетий едва ли кто обсуждает. Вариант «нептун» – это разрешение аномалии за счет угадывания того, какая часть или особенность мира, доселе невидимая или неизвестная, является ее причиной. В данном случае речь идет не об одной пропущенной планете в одной звездной системе, а о чем-то, проявляющем себя систематически и повсюду. Поэтому требуется угадать такое неизвестное, которое широко распространено, но – вот же чудо! – никак иначе себя не проявляет. Наконец, вариант «меркурий» – это признание неадекватности теории. Ведь в данном случае мы усматриваем несоответствие, не просто сравнивая наблюдения, одно из которых говорит, что предмет синий, а другое – что он красный; нет, сопоставляя наблюдения разных величин, мы опираемся на теоретическое знание о связи между ними. Что, если это знание требует уточнения?

Вообще-то, как уже было сказано мимоходом, на смену закону тяготения Ньютона пришла более общая схема – общая теория относительности. Но некоторая ирония состоит в том, что построенная там теория гравитации практически неотличима от ньютоновской для таких гравитационных полей, которые создаются совокупной массой галактики ближе к ee периферии, где и наблюдаются основные несоответствия. В тех физических условиях, которые применимы к обращению звезд в галактиках, закон гравитации Ньютона не подвергся сколько-нибудь значимому уточнению в рамках общей теории относительности. Если с теорией гравитации все-таки предстоит что-то сделать для разрешения проблемы со скоростями звезд в галактиках, то это будет заход с несколько иной стороны, чем общая теория относительности.

Выбор между двумя возможностями для приведения знаний в соответствие с наблюдениями – новая, неизвестная материя или модификация теории гравитации на больших расстояниях – не решен «окончательно окончательно», но все более склоняется в сторону неизвестной материи. С одной стороны, модификация теории гравитации оказалась делом сложным – и вообще сложным, и особенно сложным ввиду того, что в масштабе Солнечной системы, от Меркурия до облака Оорта, никакая починка имеющихся воззрений не требуется; наоборот, надо оставить все как есть, потому что там ничего не сломано – все работает очень хорошо. Улучшать же работающую теорию непросто, потому что делать это надо систематически (подправленная теория не может по нашему выбору действовать в этих двух галактиках и не действовать в трех других), но при этом нельзя испортить колоссальное число случаев, где никакого улучшения не требуется[54]54
  Встречаясь с какой-нибудь попыткой опровержения фундаментальной физической теории – скажем, теории гравитации Эйнштейна – домашними средствами (а такие попытки почему-то не иссякают), стоит помнить, что в науку уже встроен организованный скепсис. Вопросы «А если?..» задаются постоянно, и разнообразные варианты модификации имеющихся теорий уже опробованы и отвергнуты как внутренне непоследовательные или противоречащие наблюдениям; те же, которые не отвергнуты, продолжают оставаться в поле зрения действующих ученых.


[Закрыть]. С другой стороны, свидетельства в пользу неизвестной материи изобильны. С этой гипотетической материей имеется, по существу, только одна, но зато серьезная проблема: она должна из чего-то состоять и это что-то должно быть обнаружено напрямую – не по косвенным данным обо всех наблюдаемых аномалиях, а примерно так, как обнаруживают элементарные частицы, рождающиеся в ускорителях или космических лучах. Этого сделать пока не удается. Мы продолжаем считать, что эта неизвестная материя сложена из принципиально иных типов элементарных частиц, чем все нам известные.

Темная материя отделена от света

Она получила название «темная материя» – не самое удачное, но тут уж ничего не поделаешь. Смысл названия не в том, что она «имеет черный цвет», а в том, что эта материя (если угодно, вещество) не взаимодействует со светом. Она не поглощает и не излучает (и тем самым не отражает) свет. Скорее можно было бы назвать ее «прозрачной», хотя о прозрачном на бытовом уровне мы думаем как о чем-то, что в целом видно, но хорошо пропускает свет. Впрочем, я подозреваю, что многие хоть раз наталкивались на стеклянную дверь или стену; но на темную материю и натолкнуться нельзя, потому что твердость твердых тел вокруг нас имеет электромагнитную природу, а как раз в электромагнитном взаимодействии темная материя не участвует. Темная материя полностью «отвязана» от света – ее ни в каком смысле, кроме гравитационного, не «видно» и не «ощущается». Слегка парадоксально, но ближайший пример чего-то хорошо известного, что ведет себя похожим образом, – это сам свет. Два луча света проходят один сквозь другой не взаимодействуя (если не рассматривать случаи колоссальной интенсивности, которые все-таки представляют собой некоторую экзотику). Нельзя посветить прожектором и по отраженному или поглощенному свету узнать, что луч по дороге пересек луч другого прожектора или, скажем, радиоволну. В точности та же ситуация – никакого отклика – имеет место, если вместо луча второго прожектора в пространстве находится темная материя.