Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Кристиансен Йостейн Рисер

К началу XIX века астрономы узнали о некоторых аномалиях в движении планеты Уран. На тот момент это была наименее изученная планета Солнечной системы. Особенности движения Урана заключаются в том, что реальная орбита планеты не совпадает с вычислениями, опирающимися на закон всемирного тяготения. Можно было начать искать новую планету за пределами Урана, которая бы слегка притягивала его и влияла на траекторию. Или же можно было пересмотреть закон всемирного тяготения. Ведь совсем не факт, что закон, объясняющий движение ближайших к Солнцу планет, будет действовать и на более внушительных расстояниях — там, где находятся Уран и более дальние объекты.

Если всему виной действительно новая планета, значит, ее можно обнаружить. Примерно в 1845 году два астронома независимо друг от друга провели расчеты, показавшие, где могла бы находиться новая планета, влияющая на орбиту Урана. Этими двумя астрономами были француз Урбен Ле-верье и британец Джон Адамс. Последовавшие горячие споры о том, кому именно удалось первому предвычислить существование новой планеты, отчасти объясняются национальной принадлежностью ученых. Тем не менее больший вклад в открытие внесли расчеты француза. Неверье отправил в берлинскую обсерваторию астроному Иоганну Готтфриду Галле письмо с подробными указаниями, где и как искать новую планету. Галле получил письмо 23 сентября 1846 года. В тот же вечер была открыта новая планета в одном градусе от предсказанного Неверье положения. После долгих раздумий планету назвали Нептуном.

Истории планеты Нептун и темной материи очень похожи. Подоплекой были аномалии в движении уже известного небесного тела, и эти движения стали основанием для предсказания чего-то совершенно нового. Пересматривать закон всемирного тяготения не пришлось. Может, и с темной материей все сложится так же? Астрономы заметили аномалии в поведении видимого вещества. Это привело к постулированию нового вида частицы, после чего астрономы рассказали физикам, как такие частицы должны себя вести. Единственная разница, понятное дело, в том, что темную материю еще не открыли. Но и история Левсрье закончилась не на этом.

Оказалось, что не только Уран обращался по несколько странной орбите. То же самое замечали и за ближайшей к Солнцу внутренней планетой — Меркурием. Как и любая другая планета, Меркурий движется вокруг звезды по орбите в виде эллипса. Ближайшая к Солнцу точка орбиты называется перигелием. Особенность Меркурия состоит в том, что его перигелий каждый год немного смещается — совсем незначительно, всего где- то полтора градуса за столетие.

(В инерциальной системе отсчета это смещение составляет 574 в столетие, а не объясненное Ньютоновой теорией смещение составляет всего 43 в столетие.)

Наблюдая за перигелием Меркурия, Леверье понял, что этот эффект не объяснить известными фактами о Солнечной системе и гравитации. Окрыленный успехом с Нептуном, Леверье в 1859 году постулировал существование еще одной новой планеты — Вулкана, якобы находящейся внутри орбиты Меркурия. А то, что Вулкан никто никогда не видел, вполне объяснимо: планета находится настолько близко к Солнцу, что с наступлением темноты ее уже невозможно разглядеть. Больше всего шансов обнаружить Вулкан существует, когда он проходит на фоне Солнца. В этом случае можно заметить темное пятно, пересекающее солнечный диск.

И ведь так все и произошло. Вскоре Леверье получил письмо от французского астронома-любителя, где сообщалось, что тот наблюдал движение характерного темного объекта вдоль солнечного диска. Леверье посетил астронома, убедился во всем лично и в январе 1860 года на заседании Французской академии наук объявил об открытии Вулкана. Однако убедить всех присутствующих ему не удалось. Один бразильский астроном даже утверждал, что в период открытия новой планеты как раз изучал Солнце, но никаких черных пятен на звезде не наблюдал.

В последующие годы Леверье получил немало сообщений от тех, кто утверждал, будто видел Вулкан. Леверье использовал эти сообщения для вычисления следующего пересечения планетой диска Солнца, но его вычисления раз за разом оказывались несостоятельными. Говорят, что до самой своей смерти в 1877 году ученый не сомневался в существовании Вулкана.

Через какое-то время интерес к Вулкану в астрономической среде угас. Но что ни делается — все к лучшему, ведь сегодня мы точно знаем, что Вулкана не существует. Решение этой головоломки нашел Альберт Эйнштейн, опубликовавший в 1915 году окончательный вариант своей «Общей теории относительности». То была новая теория гравитации. Когда речь идет о Солнечной системе, вычисления, основанные на общей теории относительности и старой доброй теории всеобщего тяготения, не сильно разнятся. Но некоторые отклонения все же прослеживаются. К тому же теория Эйнштейна прекрасно справилась с объяснением отклонений в движении Меркурия, и для этого не понадобилось никаких новых планет.

В случае с Вулканом потребовалась не новая составляющая, а новая теория гравитации. Так что если открытие Нептуна — удачный пример внедрения новых элементов во Вселенную, то с Вулканом ситуация обратная. До этого момента мы допускали только то, что темная материя бывает — это своеобразный Нептун. А вот может ли она оказаться Вулканом?

Из истории о Вулкане можно вынести и еще один урок. Большинство из заметивших Вулкан, вероятно, сами в это искренне верили. То были сознательные астрономы, убежденные в том, что действительно видят реальную планету. Ведь желаемое разглядеть легче. К счастью, современные астрономы и физики проводят более точные измерения, а их умозаключения более надежны, чем во времена популярности Вулкана. Но человеческая психология неизменна, и неважно, пытаемся ли мы разглядеть в телескоп Вулкан или же выслеживаем частицу темной материи в сверхчувствительном детекторе. Когда возможности наших экспериментов и логики и так доведены до предела, к тому, что видишь, лучше относиться с долей недоверия. Особенно когда у нас есть четкое представление о том, что именно мы хотим увидеть.

Самая известная попытка модифицировать закон всемирного тяготения вместо признания темной материи была предпринята в 1983 году. Ее автором стал израильский физик с жутковато звучащим именем — Мордехай Милгром. Это было еще до появления достоверной информации о реликтовом излучении и скоплении галактик Пуля. Милгром ставил перед собой задачу объяснить движение спиральных галактик, не прибегая к гипотезе о темной материи.

Согласно ньютоновскому закону всемирного тяготения, с увеличением расстояния до объекта действие его гравитационных сил будет ослабевать. А если быть точнее, гравитация ослабевает вчетверо каждый раз при удвоении расстояния (или — для тех, у кого есть склонность к математике, — сила тяжести обратно пропорциональна квадрату расстояния). Милгром разработал теорию, согласно которой гравитация следует закону Ньютона в областях, где притяжение относительно сильное, например, внутри нашей Солнечной системы. Но если мы посмотрим на звезды на окраинах галактик, притяжение будет слабее. При каждом увеличении расстояния гравитация там будет уменьшаться вдвое, а не вчетверо, как у Ньютона (сила тяжести обратно пропорциональна расстоянию, а не квадрату расстояния).

(Теорию MOND можно интерпретировать двумя способами: либо меняются законы гравитации, либо второй закон Ньютона для инерции. Я придерживаюсь первой интерпретации, а Милгром же основывал свои выводы исключительно на второй. То, что я все же смотрю на MOND как на изменение силы тяжести, делается для простоты объяснений. Для нас результат все равно будет таким же.)

Теория Милгрома получила название Модифицированной ньютоновской динамики и сегодня наиболее известна под аббревиатурой MOND (Modified Newtonian dynamics).

В MOND самые удаленные звезды в галактике обладают более сильной гравитацией, чем в теории Ньютона. Поэтому они и двигаются быстрее, но при этом не улетают за пределы своей галактики. С помощью MOND Милгрому удалось объяснить кривые вращения спиральных галактик ничуть не хуже, чем приверженцам темной материи. И, наверно, ничего удивительного в этом нет, ведь MOND и была создана именно для объяснения аномального вращения спиральных галактик. Позже оказалось, что теория отлично справляется и с объяснением некоторых других аспектов, связанных с движением объектов в галактиках. Ведь галактики бывают всевозможных размеров и форм, и во многих случаях MOND ничем не уступает гипотезе темной материи.