Космос. Иллюстрированная история астрономии и космологии - Джон Норт

интерферометрии (которая на тот момент отсутствовала) для более детального отслеживания траекторий и проведения еще одной проверки общей теории относительности. Есть существенная разница между черными дырами звездной массы и черными дырами в ядрах галактик. Первые достигают чудовищных плотностей в результате коллапса звезд, а это предъявляет особые требования к ядерной физике, которую очень сложно применять при такой степени концентрации. Черные же дыры галактических ядер должны быть не плотнее воздуха. Тем не менее их воздействие на все, что в них попадает, весьма губительно. Вращающаяся черная дыра своими приливными силами растягивает несчастный объект, превращая его в «спагетти». Некоторые ученые осуществили теоретический разбор гораздо более радикальных эффектов, предполагая, что падающий объект врывается в новое пространство, и даже в новую вселенную. Черные дыры служат выходом не только в новые миры, но и в новые космологии.

Черные дыры, вполне возможно, присутствуют в ядрах всех галактик вообще, хотя шансы на открытие большинства из них, по всей видимости, будут долго оставаться близкими к нулю; черная дыра однозначно обнаружена в центре галактики М31 на изображениях, полученных космическим телескопом «Спитцер» в 2005 г. Независимые наземные исследования анонсировали это уже в 1988 г., но центральный темный объект (различимый с гораздо меньшей четкостью, чем в инфракрасном диапазоне с космической платформы) мог быть интерпретирован несколькими противоречивыми способами, которые можно было устранить лишь со временем. Данные 2005 г. позволили оценить массу черной дыры, которая, как сообщалось, оказалась равна 140 миллионам солнечных масс. Это в три раза превысило все самые смелые предварительные оценки.

ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ, MACHO И WIMP

Мы уже рассматривали в главе 16, как Ян Оорт, основываясь на динамических вычислениях, пришел к выводу о существовании в Галактике и ее окрестностях большого количества невидимого вещества. Десятью годами ранее Джинс выразил мнение, что в Галактике на каждую яркую звезду приходится по три темных; Каптейн тоже говорил о темной материи, хотя не придавал ей особого значения. Мы уже видели, как в середине 1930‐х гг. Цвикки и Синклер Смит пришли к убеждению о преобладании темной составляющей в галактиках. В 1939 г. американский астроном Хорес У. Бэбкок защитил докторскую диссертацию в Ликской обсерватории, установив корреляцию между скоростями вращения и положениями объектов в галактике М31. Он получил такое большое расхождение между значениями ее массы и отношением масса-светимость по сравнению с аналогичными значениями для нашей Галактики (принятыми на тот момент), что ему рекомендовали не публиковать своих результатов, но направление его работы совпадало с направлением Синклера Смита: массы галактик были очевидным образом гораздо больше, чем массы, выведенные из их светимостей. Критика, высказанная на съезде Американского астрономического общества в адрес Бэбкока, оказалась настолько суровой, что оставшуюся часть своей карьеры он посвятил исключительно солнечной астрономии.

В ходе и сразу же после Второй мировой войны к этим нескольким сообщениям о «недостающей массе» не было добавлено почти ничего нового, но оценочное значение массы Галактики постепенно росло, и к 1960‐м гг. многим астрономам становилось все более очевидным (хотя оставались и несогласные), что богатые скопления галактик связаны огромным количеством темной материи, во много раз превышающим наблюдаемую, и что то же самое можно сказать о сверхскоплениях галактик. Зарождающееся новое самостоятельное научное направление постепенно пополнялось другим наблюдательным материалом. Бо́льшая его часть была ориентирована скорее на исключение кандидатов на роль скрытой массы, чем на выявление ее носителей. По-прежнему существовала значительная группа скептиков, часть которых сомневались в точности проведенных наблюдений, другие были готовы оспаривать аксиому, что все области Вселенной расширяются из некоего первоначального состояния одинаковым образом, а третьи предлагали хитроумные модификации теории гравитации Эйнштейна. В 1983 г. израильский физик Мордехай Милгром предложил модифицированный ньютоновский закон обратных квадратов (закон гравитации) в качестве возможной альтернативы гипотезе скрытой массы. Его теория МОНД (модифицированная ньютоновская динамика) получила определенную поддержку главным образом среди тех, кто отказывался признавать превосходство теории Эйнштейна над теорией Ньютона в силу гораздо более широких соображений. Несколько астрономов были готовы повернуть время вспять.

Совсем другая серия доводов исходила из потребности дать объяснение самому факту существования галактик и их скоплений. Почему звезды не заполняют равномерно огромные области пространства, а концентрируются в скоплениях, состоящих из многих сотен галактик? (Это отдаленно напоминает вопрос, который Бентли задавал Ньютону.) Должны ли мы искать истоки современной ситуации во флуктуациях, которые уже присутствовали во Вселенной в первые мгновенья ее существования? Несмотря на признание невероятной сложности объяснения происхождения существующих структур, все соглашались с тем, что правдоподобные теоретические модели гораздо легче получить с темной материей, чем без нее. А путем выдвижения отдельных гипотез о природе этого загадочного вещества, и затем проверкой предложенных моделей наблюдениями, в принципе, можно пролить свет на истинность той или иной гипотезы. Этот подход стал еще более привлекателен с изобретением мощных компьютеров, хотя большинство астрономов полагают: лучший способ поверить – это увидеть. Теоретики же наибольшее внимание уделяли роли черных дыр. Предположение о том, что темная материя – это остатки давно умерших массивных звезд, сталкивалось с некоторыми трудностями: они должны были оставить после себя гораздо больше углерода, кислорода и железа, чем это обнаруживается на самом деле. Удалось предложить способ обойти эту дилемму: в крайне массивных звездах может произойти взрыв, направленный внутрь, и продукты взрыва поглотятся черной дырой. То, что формирование звезд с массами, в сотни раз превышающими массу Солнца, не наблюдается сегодня, требует выдвижения дополнительных гипотез о возможности их существования в отдаленном прошлом. Это отнюдь не обескуражило сторонников указанной идеи, а в 1980‐х гг. к этим остаткам в качестве наиболее вероятного кандидата на роль темной материи добавились коричневые карлики.

К 1990‐м гг. образовалось несколько групп, сфокусировавшихся на проблеме темной материи. В целом с тех пор сложилось два магистральных направления ее решения. Одно из них заключалось в поиске групп объектов под названием MACHO («мачо») – общий термин, охватывающий черные дыры, нейтронные звезды, коричневые карлики или даже белые карлики, а также очень тусклые красные карлики. Действительно, внести свой вклад в решение проблемы темной материи может почти любое обычное (барионное) вещество, не излучающее свет. Это название является акронимом выражения Massive Compact Halo Object (массивные компактные объекты гало), оно было впервые употреблено для обозначения темной материи в галактических гало.

В 1990‐х гг. некоторых центры, производившие поиск MACHO, начали использовать микролинзирование – гравитационное линзирование, производимое не большими сосредоточениями масс в галактиках или галактических скоплениях, а малыми объектами. В Чили французская группа искала их в гало, в то время как польская группа, работавшая в другой чилийской обсерватории, искала эффекты линзирования в направлении центра галактики. Самую инициативную группу возглавлял Чарльз Р. Олкок, британский астроном, работавший в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в Калифорнии. Олкок знал о передовых технологиях, позволявших одновременно следить за движением множества быстродвижущихся объектов, благодаря тому факту, что Ливерморская лаборатория участвовала в программе Звездных войн президента Рейгана. Эта команда подключила мощные компьютеры к самым большим цифровым камерам того времени, используемым в астрономии. Система обработки изображений была установлена на Большом Мельбурнском телескопе в Канберре (Австралия) – восстановленном инструменте, имеющем столетнюю историю. Вообще говоря, сотрудничество в целях поиска MACHO являлось типичным примером превосходного нового стиля аккумуляции международных ресурсов, нацеленного исключительно на интеллектуальную отдачу. На сей раз не было никаких Звездных войн; сотрудничество строилось на взаимодействии австралийских специалистов по компьютерной технике и астрономов, а также физиков из австралийской обсерватории Маунт-Стромло,