Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Кристиансен Йостейн Рисер

Этот вопрос уже поднимался французским философом Огюстом Контом (1798–1857) в 1835 году. В своем главном научном труде, «Курсе позитивной философии», писал о звездах: «Мы осознаем возможность определения их строения, размеров, расстояний и движений; но мы никогда не сможем каким бы то ни было образом исследовать их химический состав…».

И, будучи философом, он не стремился к потенциальным техническим трудностям при определении химии небесных тел: он считал эту задачу принципиально невыполнимой Однако еще в 1814 году, до того, как Конт записал эти слова, немецкий оптик Йозеф Фраунгофер (1787–1826) разработал первый точный спектроскоп, инструмент, который через несколько лет докажет, что Конт ошибался.

2.3. Вещество и его далекие отпечатки пальцев

На свет можно смотреть как на волны, а если быть точнее, то свет — это одна из форм того, что мы называем электромагнитными волнами. Как и большинство волн, световые волны могут иметь различную длину. Эти различные длины отвечают за разные цвета. Самые длинные из доступных нашему глазу электромагнитных волн мы воспринимаем как красный цвет, а самые короткие — как синий или фиолетовый. Все остальные цвета радуги располагаются между ними.

Белый цвет, который излучают Солнце и другие звезды, — это смесь всех существующих цветов. Эти цвета становятся различимы глазу в радуге. Тут их свет разделяют малюсенькие капли дождя. Все цвета, из которых и состоит белый, преломляются в немного различных направлениях и превращаются в красочную дугу на небе. Спектроскоп, разработанный Фраунгофером, представляет собой очень точную радужную машину — аппарат, с помощью стеклянной призмы или мелкоячеистой решетки расщепляющий свет на все его цвета.

Первым делом Фраунгофер нацелил свой спектроскоп на Солнце. Свет разделился во всех цветах радуги, но с нерегулярными интервалами — в цветовом спектре можно было четко выделить темные линии. Некоторые цвета отсутствовали. Почему?

Недостающие цвета в солнечном свете, которые Фраунгофер наблюдал в 1814 году. Сегодня эти темные линии называются «Фраун-гоферовы линии». Они показывают нам, какие газы находятся в атмосфере Солнца.

На этот вопрос смогли ответить в 1859-м, через 24 года после заявления Конта о неподдающейся анализу природе небесных тел. Тогда немецкий физик Густав Кирхгоф вместе со своим соотечественником химиком Робертом Бунзеном продемонстрировал, что отсутствующие линии в солнечном спектре точно соответствуют линиям, которые можно наблюдать в лаборатории от известных светящихся газов. «Отпечатки пальцев» лабораторных газов были идентичны «отпечаткам», наблюдаемым у Солнца. Таким образом, вопреки утверждению Конта, им удалось установить химический состав поверхности Солнца. Линии в спектре света называются спектральными линиями.

Спектральные линии и сегодня широко используются в астрофизике, а значение спектроскопии для современной астрономии и, в частности, для поиска темной материи и темной энергии практически невозможно переоценить.

Видимый нам свет — это лишь малая часть того, что мы называем электромагнитным спектром.

Электромагнитный спектр от самых длинных радиоволн до кратчайших гамма-лучей. В середине находится видимый свет.

Я уже упоминал, что красный свет — самая длинная видимая волна, а самая короткая — та, которую мы воспринимаем как синий. Волны цветов видимого излучения находятся в диапазоне 380 и 760 нанометров, где нанометр — это 10-9 м, или одна миллиардная метра. Более длинные волны называются инфракрасным светом, а еще более длинные — радиоволнами. Самые короткие радиоволны также называются микроволнами. Микроволны, которые могут иметь длину волны от одного миллиметра до одного метра, мы рассмотрим позже. Есть также электромагнитные волны, которые короче видимого света. Сначала идут ультрафиолетовые волны, а затем следуют рентгеновские лучи, а самые короткие электромагнитные волны называются гамма-лучами. Гамма-излучение очень пригодится, когда мы позднее будем искать частицу темной материи. Весь электромагнитный спектр, от длинных радиоволн до коротковолнового гамма-излучения, играет важную роль в астрономии. Потому что, хоть нашим глазам доступен только видимый свет, мы можем создавать приборы, которые различают все остальные длины волн.

Так зачем же я вспомнил про философа, да и к тому же допустившего фундаментальную ошибку? Во-первых, история Конта дает нам отличный повод, чтобы вспомнить о спектроскопии. Во-вторых, многие из нас, астрофизиков, испытывают детскую и даже нездоровую радость, когда выпадает возможность посмеяться над философами. Нездоровую, потому что, когда мы выходим за границы науки, философы, несомненно, способны внести в наши изыскания немалый вклад. И нам следует, в частности, поблагодарить того же Огюста Конта, пионера в создании того, что сегодня мы назвали бы современным научным методом. Но главным образом я вспомнил о Конте потому, что его история говорит нам нечто важное о науке, особенно об астрофизике. До спектроскопии даже признанный философ не мог представить, что возможно раскрыть химический состав небесных объектов без анализа в химической лаборатории. Разумеется, есть надежда, что проблемы и научные барьеры, считающиеся сегодня неразрешимыми и непреодолимыми, когда-нибудь в будущем можно будет исследовать методами, которые сейчас и не представишь.

2.4. Цвикки и быстрые галактики

Как показывает пример с Пулей, в скоплениях галактик, судя по всему, обитает темная материя. Скопление галактик — это как раз то самое место преступления, где были обнаружены одни из самых первых улик того, что мы считаем темной материей.

В 1933 году в не особо читаемом швейцарском журнале Helvetica Physica Acta появилась статья, автором которой был не особо известный швейцарский физик и астроном Фриц Цвикки. Но в статье скрывалось революционное открытие — темная материя.

Чтобы одним из первых заявить о том, что Вселенная состоит из огромного количества невидимого вещества, мало обладать воображением и либеральными взглядами на природу и физику — нужна еще и невероятная уверенность в собственных доводах. Ну и не станем забывать о самоуверенности, избавляющей от страха допустить ошибку. И, что немаловажно, понадобятся солидные научные знания для обоснования гипотезы. Все это у Фрица Цвикки имелось.

Фриц Цвикки

Норвежцы привыкли, что оригинальные мыслители — например, Арне Несс и Питер Бессель Цапффе — нередко увлекаются скалолазаньем и поэтому не удивляются, когда великие рассуждения и горные виды спорта идут рука об руку. Поэтому они считают совершенно естественным, что Цвикки совмещал научную деятельность с альпинизмом. Цапффе описывает альпинизм как «…спорт для индивидуальностей, для оригиналов и аутсайдеров», а Цвикки однозначно можно отнести к оригиналам — и как ученого, и как человека. А раз уж мы затронули «норвежские» качества ученого, вспомним, что его отец, Фридолин Цвикки, служил норвежским консулом в болгарском городе Варна в первые годы жизни сына.

Однако же Фриц Цвикки считал себя швейцарцем и никогда даже не ступал на норвежскую землю. Американскую землю Цвикки, напротив, исходил вдоль и поперек, поскольку большую часть жизни проработал профессором Калифорнийского технологического института (известном также как Калтех).

Для научной работы Цвикки характерны впечатляющая широта, креативность и дальновидность. Мы уже упоминали о его «открытии» темной материи — к нему мы вскоре вернемся. Но Цвикки не только обнаружил темную материю. Он, например, первым предположил, что скопления галактик могут выступать в роли гравитационных линз. Эту идею Цвикки впервые высказал в 1937 году, и, хотя до открытия скопления — гравитационной линзы пройдет еще 40 лет, важность такого подхода для современной астрономии очевидна и по сей день.