Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Естественно, отдельные галактики в этих скоплениях не стоят на месте – они перемещаются и перемешиваются под действием гравитации, и зачастую одна пролетает мимо другой со скоростью более 1 000 километров в секунду. Понаблюдав за движением галактик на протяжении миллиардов лет их жизни, можно было бы, пожалуй, сказать, что они движутся подобно стремительно плывущей стае рыб: иногда две или три из них даже слипаются, в результате чего возникает новая, более крупная галактика, которая принимает форму массивного шара или толстой сигары. Мы называем такие галактики эллиптическими, и галактика M87 – одна из них. Но обитающие в них звезды никогда – или почти никогда – не сталкиваются, поскольку расположены далеко друг от друга, хотя, без сомнения, и чувствуют взаимное влияние гравитации.

Тяжелые галактики проваливаются в центр скопления и увеличиваются в размерах, а их черные дыры даже сливаются. Поэтому самые большие и тяжелые галактики часто располагаются в центре скоплений галактик и содержат самые большие черные дыры во Вселенной. Они – настоящие гиганты среди великанов. Таким же образом устроена и наша соседка – галактика М87. Именно M87 является самой близкой к нам галактикой во Вселенной среди всех галактик, прячущих в своем центре сверхтяжелые черные дыры.

И однако эти галактики двигались слишком быстро; по крайней мере так казалось Фрицу Цвикки – швейцарскому астроному, проводившему исследования в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене еще в 1933 году. Гравитации звезд в таких конфигурациях явно недоставало, чтобы удерживать несущиеся во весь опор галактики, – при таких скоростях они должны были разлетаться во все стороны. Но этого-то как раз они и не делали, а это означало, что какая-то таинственная сила должна была удерживать их от разлетания. Если считать, что за “неразлетание” ответственна гравитация, то где-то должна прятаться некая таинственная темная материя, которая обеспечивает эту дополнительную гравитацию и которую мы не можем видеть. Кроме того, ее должно быть в пять-десять раз больше, чем известной нам обычной материи.

В 1970-е астроном Вера Рубин измеряла скорость вращения галактик с помощью оптических телескопов и эффекта Доплера. Казалось, они вращались немного быстрее, чем должны были бы. Это наблюдение подтвердил голландский ученый Альберт Босма, использовавший для исследования новый радиоинтерферометр в Вестерборке. Он увидел газ, из которого еще не образовались звезды, заполнявший пространство далеко за пределами галактики, видимой лишь с помощью оптических телескопов. И там тоже все вращалось слишком быстро. Галактики должны были быть заполнены темной материей, которая удерживала их как целое. Без нее галактики напоминали бы разлетающиеся тарелки с супом на слишком быстро раскрученном столе “Ленивая Сьюзен” в китайском ресторане.

Мы до сих пор не знаем, что такое темная материя. Некоторые астрономы считают разговоры о ней чепухой и утверждают, что ее не существует. Скорее, говорят они, наши законы гравитации просто перестают работать, когда мы переходим к галактическим масштабам. И все же большинство астрономов полагает, что темная материя существует и состоит из элементарных частиц неизвестного до сих пор вида.

Еще более запутанным все стало в 1990-е годы, когда астрономы приступили к систематическому исследованию сверхновых, яркость которых можно было довольно точно измерить. Оказалось, что они сияли чуть менее ярко, чем можно было бы ожидать, учитывая расширение Вселенной и закон Хаббла-Леметра. Находились ли они дальше, чем считалось прежде? Если это так, то Вселенная должна была расширяться быстрее, чем мы думали. С тех пор темная энергия – неизвестная, таинственная, заставляющая Вселенную расширяться все быстрее – вошла в физико-астрономическое представление о нашем мире. На самом деле она уже присутствовала в уравнениях Эйнштейна в виде космологической постоянной, но сам Эйнштейн в какой-то момент отказался от нее, назвав своим “самым большим заблуждением”.

Современнейшие космические модели и измерения, которые проделывают астрофизики, показывают, что около 85 процентов всего вещества во Вселенной – это темная материя, а пятнадцать процентов – это нормальное и знакомое нам так называемое барионное вещество. Вдобавок измеренная темная энергия всей Вселенной более чем в два раза превышает энергию, содержащуюся в темной и нормальной материи вместе взятых (мы помним, что согласно знаменитой формуле Эйнштейна E=mc ² масса эквивалентна энергии). И тогда оказывается, что только примерно 5 процентов всей энергии Вселенной содержится в той форме материи, какой мы ее знаем на Земле, то есть в атомах и элементах периодической таблицы. Что касается формы оставшейся массы, то тут мы пока находимся в буквальном смысле в потемках.