песочные часы. Прячущийся монстр в центре – сверхмассивная черная дыра Стрелец А*2.
Но есть еще кое-что. Астрономы думают, что центр скрывает еще один секрет – некую материю, совершенно невидимую для всех наших приборов. Считается, что масса этого необычного вещества в пять раз превышает массу обычной, привычной нам материи, состоящей из атомов, которую ученые называют барионной материей и с которой мы все знакомы, – той самой, из которой образованы звезды, газ, планеты, вы, я и мой кот Кварк. Мы не знаем, что представляет собой эта таинственная материя, которую впервые ввел в свою теорию физик Фриц Цвикки из Калифорнийского технологического института, заметивший, что она нужна нам для объяснения наблюдаемого движения звезд и галактик. И теперь мы называем ее просто “темной материей”.
Около 23 % Вселенной составляет темная материя, 72 % – таинственная темная энергия, и только чуть менее 5 % составляет обычная материя. Есть только одна проблема: каждый раз, когда ученые думают, что нашли ключ к разгадке природы темной материи, они сталкиваются с одним и тем же старым неприятелем, который появляется перед ними и разбивает их теории в пух и прах. Этот неприятель – нейтронная звезда.
Большинство астрономов считает, что у них достаточно косвенных доказательств того, что темная материя существует. Они видят, как ее гравитация притягивает звезды, как она искривляет свет, который проходит рядом с ней, и все это складывается в единую картину, но только если считать, что общая теория относительности Альберта Эйнштейна правильно описывает гравитацию как свойство массивных объектов искривлять пространство-время3.
Существуют альтернативные теории гравитации, которые пытаются объяснить строение нашей Вселенной без предположений о существовании темной материи или темной энергии, но эти теории ведут свои собственные битвы с нейтронными звездами. (Подробнее об этом см. главу 8.)
Тем не менее, если общая теория относительности верна, мы просто не можем объяснить движение наблюдаемой обычной материи под действием гравитации без предположения о существовании темной материи. Как и в случае многих, казалось бы, далеких от реальной жизни теорий, и эта ведет свое начало от Цвикки, который еще в 1933 году впервые предположил связь нейтронных звезд со сверхновыми. Примерно в то же время он изучал галактики и скопления галактик, сходные с нашим собственным скоплением – Местной группой, в которую входят Млечный Путь, галактика Андромеда и многие другие (карликовые) галактики. Цвикки знал, что галактики в скоплении обращаются вокруг центра масс скопления, а также вокруг своей оси и, кроме того, взаимодействуют друг с другом.
Но он хотел убедиться в этом сам. Он убедил Калтех построить восемнадцатидюймовый телескоп с большим полем зрения и сфотографировал скопление галактик Кома (Волосы Вероники), находящееся примерно в 323 миллионах световых лет от Земли. Это скопление содержит более тысячи галактик. На каждом снимке, который сделал Цвикки, оказалось большое количество галактик, и он просуммировал светящееся вещество (звезды и газ, которые он смог разглядеть в телескоп) в скоплении. Он также вычислил скорость движения галактик и понял, что масса скопления намного больше суммарной массы светящегося вещества. Результаты были поразительными. Галактики, казалось, двигались слишком быстро, и при такой скорости и рассчитанной массе не могли оставаться связанными в единое скопление с помощью гравитационных сил. С такой небольшой массой светящегося вещества и создаваемой им гравитацией скопление галактик Кома должно было просто распасться. И наоборот, наблюдаемые гравитационные силы требовали присутствия в четыреста раз большего количества вещества, и Цвикки назвал это избыточное вещество Dunkle Materie, что в переводе с немецкого означает “темная материя”. Теорией Цвикки не сильно интересовались вплоть до последних десятилетий, но название сохранилось.
Только в 1970-х годах ученые осознали, что Цвикки оказался в главном прав[24]. Два американских астронома, Вера Рубин и Кент Форд, вычисляли массу соседней с нами галактики Андромеда, измеряя скорость звезд в ней. Как и Цвикки в ситуации со скоплением Кома, они обнаружили аномалию. Галактика Андромеда – спиральная галактика, похожая на Млечный Путь, с галактическим балджем и диском, заполненными межзвездным газом и звездами. До работы Рубин астрономы предполагали, что звезды обращаются тем быстрее, чем ближе они к своему галактическому центру, а спиральные рукава, расположенные дальше, должны двигаться медленнее из-за более слабого притяжения. Однако Рубин увидела, что это не так: звезды на окраинах галактики обращались с такой же скоростью, как и те, что были ближе к центру галактики Андромеда. Это означало, что галактика должна быть заполнена чем-то невидимым, обладающим достаточным притяжением, чтобы удерживать всю систему вместе, – какой-то загадочной “темной материей”, которая помогает обычной материи двигаться с одинаковой скоростью во всей галактике. Позже Рубин и Форд провели аналогичные вычисления применительно ко многим другим галактикам и показали, что плоские кривые вращения[25] характерны для всех рассмотренных ими галактик, и тем самым привели убедительный аргумент в пользу существования там темной материи.
Это был поворотный момент в спорах относительно этой невидимой субстанции. Сейчас астрономы считают, что темная материя образует обширные сферические облака по всей Вселенной, и внутри каждого облака плавает одна или несколько галактик, и все эти образования, напоминающие футуристические города в небе, называются гало темной материи. Позже астрономы увидели еще одно свидетельство существования темной материи, состоящее в искривлении света в космосе. Этот эффект называется гравитационным линзированием. Когда мы наблюдаем далекую галактику, часто мы видим ее искаженной, например в виде дуги, а иногда вместо одного объекта, который, как мы знаем, там должен быть, мы видим несколько его изображений. Это связано с тем, что между наблюдаемым нами объектом и Землей может находиться, например, скопление галактик, которое действует как гигантская гравитационная линза, искривляющая световые лучи. Но если мы просуммируем массы всех звезд в этом скоплении в соответствии с количеством света, которое регистрируем, то поймем, что при такой массе скопления искривление должно быть ничтожным. Фактически изображение далекой галактики не должно быть настолько искаженным. Когда астрономы пытаются промоделировать получаемое в реальности искажение на компьютере, им часто приходится увеличивать массу моделируемого скопления, расположенного между нами и объектом, в девять раз, и только тогда все сходится. Из этого следует, что скопление содержит гораздо больше темной материи, чем нормальной.
Несмотря на потраченные миллиарды долларов и десятилетия работы с различными детекторами, у ученых не получилось найти никаких прямых доказательств существования темной материи. Попытки произвести ее при столкновениях частиц высоких энергий в ускорителях, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРН, пока успехом не увенчались.
В одно из своих путешествий по Италии я оказалась в лаборатории, спрятанной глубоко под самой высокой горой Апеннин
