Астрономы, которые долгими ночами наблюдают в свои телескопы за прекрасными чудесами Вселенной, однажды заметили такую вещь: звёзды Млечного Пути, как и любой другой галактики, обращаются вокруг их центра с разным периодом. То есть галактики не ведут себя как твёрдые вращающиеся объекты. Каждая звезда движется с разной скоростью, как это происходит и с планетами в Солнечной системе. И вроде бы так и должно быть, всё правильно.
В случае с планетами мы прекрасно знаем соотношение между радиусом орбиты и периодом, поскольку оно было описано с поразительной точностью Иоганном Кеплером: квадрат периода обращения пропорционален кубу среднего радиуса орбиты. Идеально.
Этот математический закон, открытый Кеплером, называется Третьим законом Кеплера (есть ещё два других, но они нас сейчас не интересуют). Ньютон очень просто объяснил эти законы на основе своего Закона всемирного тяготения. И сегодня Третий закон Кеплера – это один из столпов планетологии и космологии. Ведь его легко можно вывести из основ гравитационной теории.
Как говорится – кричали женщины «ура» и в воздух что-то там бросали.
Звёзды вращаются не так!
Но прошло некоторое время, и астрономы поняли, что звезды, вращающиеся в галактиках, не подчиняются закону Кеплера.
Ведь должно быть так: звёзды, находящиеся очень далеко от галактического ядра, должны двигаться очень медленно, и чем дальше они находятся, тем медленнее. Однако по факту после определённого расстояния этого уменьшения скорости не наблюдалось! Скорее имела место более-менее закономерность изменения скорости, с каким-то постоянным средним коэффициентом. А иногда даже наблюдались скорости, значительно превышающие эти средние коэффициенты у очень далёких звёзд!
Все это кажется абсурдным. И нарушает один из самых красивых законов, которые у нас есть! Что же делать? Может быть признать результаты наблюдений галлюцинациями, да и успокоиться на этом? Учёные размышляли. И пришли к выводу, что проблема вряд ли рассосётся сама по себе, и решили придумать этому безобразию какое-то объяснение.
И придумали их даже целых два. На выбор уважаемой публики.
Первое объяснение очень простое: все наши теории гравитации никуда не годятся, и они ошибочны. Все выкладки и Ньютона, и Эйнштейна, и третий закон Кеплера – не более чем приближение, которое не работает в очень больших масштабах. Просто нужно модифицировать наши теории так, чтобы они были справедливы и для масштабов планет, и для масштабов галактик. Эта гипотеза получила название «Модифицированная ньютоновская динамика».
Второе возможное объяснение этой аномалии заключалось в том, что теория гравитации на самом деле вполне совершенна. Просто мы используем неверные данные, потому что есть материя, которую мы не видим. И что вполне можно объяснить эмпирическое поведение звёзд, если предположить, что по всей Галактике (не только в ядре) рассеяно огромное количество массы, которая изменяет скорость самых далёких звёзд.
Но тут выяснилось вот что: чтобы объяснить аномалию в поведении звёзд, Млечный Путь должен иметь массу примерно в 10 раз большую, чем мы видим! Это означает, что, если это объяснение верно, 90% массы Галактики невидимы для нас. И масса всех звёзд, пыли и газа, которые мы наблюдаем, составляет всего 10% из истинной массы нашей Галактики!
Вводим тёмную материю
Поскольку это материя, которую мы никаким образом не обнаруживаем (это не пыль и не газ, поскольку они обнаруживаются нашими телескопами на разных длинах волн), её назвали «темной материей». И её существование, хотя это может показаться странным, сегодня наиболее распространенное объяснение наблюдаемым эффектам. Хотя на самом деле это всё равно всего лишь гипотеза.
Если она существует, галактическая тёмная материя действительно необычная штука. Он невидима не потому, что просто тёмная, как уголь. Да, кусок угля может быть очень темным, но он всё же отражает свет и излучает в инфракрасном диапазоне в зависимости от температуры. Мы можем видеть это излучение специальными приборами, чувствительным к этим длинам волн.
Но ни один из наших телескопов, которые смотрят в космос в инфракрасном диапазоне, радиоволнах, микроволнах, рентгеновских или ультрафиолетовых диапазонах, не обнаружил даже малюсенького кусочка темной материи.
Это означает, что она никак не взаимодействует с электромагнитным полем. И если она существует, то единственное взаимодействие с остальной Вселенной, которое происходит – это гравитационное.
Причина, по которой эта гипотеза является наиболее принимаемой в мире науки, заключается в том, что скорость вращения галактики – это не единственный аспект, который можно объяснить существованием тёмной материи.
Гравитационное подтверждение
Помните, мы недавно говорили об эффекте гравитационного линзирования, который могут производить массивные объекты. То же самое происходит и с галактиками: при взгляде на объекты, находящиеся по другую сторону от них, огромная масса галактик искажает изображение того, что находится за ними. Поскольку эффект тем больше, чем больше масса галактики, можно оценить её массу, измерив, насколько велик эффект гравитационного линзирования, который она производит.
И в этом случае учёные получают значения массы примерно в пять раз больше, чем они наблюдают в телескопы. Существование темной материи вполне может объяснить эту разницу.
Оба явления можно объяснить и с точки зрения теории гравитации Ньютона-Эйнштейна. Если немного, как уже отмечалось выше, её модифицировать.
Какая из гипотез возьмёт верх мы, возможно, скоро увидим.
В любом случае, я нисколько не сомневаюсь в том, что разрешение этого конфликта будет означать присуждение несколько Нобелевских премий в ближайшие десятилетия.