Карта Вселенной - Приямвада Натараджан

Благодаря разработке Эйнштейном ОТО стало ясно, что сила притяжения также не требует участия посторонних веществ — она проявляется в малом масштабе в виде аномалий вокруг обладающих массой объектов в ткани четырехмерного пространственно-временного континуума. В условиях новой и развивающейся интерпретации космоса в 1920-х и 1930-х гг. главным прорывом, как мы видели ранее, стало открытие Хабблом расширяющейся Вселенной, которое стало результатом измерения расстояний до внегалактических туманностей с помощью переменных цефеид — звезд, чьи свойства позволяли найти точные расстояния. Пока Хаббл и остальные измеряли расстояния и скорости галактик, находившихся за пределами нашей собственной Галактики, другие все еще надеялись использовать законы притяжения Ньютона — предполагалось, что они действуют во всем пространстве Вселенной, — для дальнейших шагов и определения массы этих галактик.

Для формирования репутации в научных кругах обычно требуется время, но Хаббл быстро взлетел на вершину. К началу 1940-х гг. он был в зените своей славы в сфере астрономических наблюдений, и его исследования имели непоколебимый авторитет. Между ним и Цвикки шла скрытая борьба, так как оба работали в Калифорнийском технологическом институте и соперничали за одно и то же наблюдательное оборудование. Хаббл всегда получал львиную долю ресурсов и времени работы с телескопом, что, понятное дело, не приносило радости Цвикки. Конечно, еще не были разработаны инструменты и технологии, которые бы позволили производить более точные измерения и поставили под сомнение значение постоянной Хаббла. Итак, ввиду радикальности и абстрактности предположения Цвикки о dunkle materie оно не стало поводом для пересмотра работы Хаббла. На самом деле Цвикки и сам считал свое обоснование темной материи неубедительным и сохранял некоторый скепсис — как и Хаббл в случае с расширяющейся Вселенной. Даже в 1957 г. Цвикки все еще признавал: «Не совсем ясно, как должны быть в итоге истолкованы эти невероятные результаты [наблюдений в созвездии Волосы Вероники]». Было непросто принять всерьез идею еще об одной темной, неуловимой и невидимой сущности — даже для того, кто ее и предложил^{12}. Как мы уже видели, сами авторы радикальных научных идей зачастую скрепя сердце примиряются с собственными теориями или их выводами. Далеко идущие последствия таких идей обычно являются причиной подобной борьбы.

Хотя работа, опубликованная в 1933 г., осталась без внимания астрономического сообщества, Цвикки не сдавался: он продолжил работать над своей идеей. Ученый понял, что, если в скоплениях содержится большое количество невидимой материи, она должна искривлять пространственно-временной континуум. Если бы световые лучи преодолевали в пространственно-временном континууме аномалию, вызванную гигантским притяжением скопления, они должны были бы отклониться от прямой траектории. Другими словами, скопление играло бы роль оптической линзы, отклоняя и собирая световые лучи. Цвикки называл такие массивные скопления гравитационными линзами. В работе, изданной в 1937 г., он вновь привел аргументацию существования темной материи, измеряя отклонение света около скоплений и отмечая, что это явление — неизбежное следствие большого количества темной материи в скоплениях, но оборудование того времени было не способно его выявить^{13}.

Учитывая отсутствие соответствующих инструментов, гипотеза Цвикки не привлекала значительного внимания до конца 1960-х гг. В ту пору произошел новый всплеск интереса к его работе, а также имели место новые шаги астрономов Сьюра Рефсдаля, Рамеша Нараяна и Роджера Блэндфорда в предсказании отклонения света. Они показали, что при некоторых обстоятельствах эффекты линзирования могут принимать максимальное значение и, следовательно, их становится проще выявить. Они обнаружили, что, когда галактики на заднем фоне идеально выстраиваются в линию позади массивных скоплений, излучаемый ими свет в отдельных случаях значительно растягивается в виде длинных дуг — настолько, что иногда они разбиваются на две части. При таком расщеплении светового луча получаются два увеличенных изображения одной и той же галактики, расположенной на заднем фоне. В зависимости от расположения возможно и большее число копий виртуального изображения фоновой галактики. Например, на сделанном с помощью «Хаббла» снимке очень массивного скопления CL0024+16, которое играет роль линзы, одна и та же фоновая галактика видна в пяти местах! Нам известно, что это изображения одного объекта, а не просто астрономические двойники, так как мы измеряем их спектр, их уникальный химический отпечаток. Спектр всех пяти изображений абсолютно идентичен.

Другая примечательная черта подобных множественных изображений заключается в следующем: некоторые из них могут значительно растягиваться, так что обычная фоновая галактика овальной формы получит искаженную проекцию в виде многочисленных копий, часть из которых будут деформированы в достаточно вытянутые эллипсы или дуги. Получившиеся при сильном линзировании колоссальные дуги в соответствии с теоретическими прогнозами сегодня систематически встречаются на изображениях скоплений с высоким угловым разрешением. В случаях, когда расположение фоновой галактики и скопления не столь идеально, лучи света получают совсем небольшую кривизну, которая приводит к мягкому растягиванию — «слабому линзированию». Когда в 1987 г. астрономы Женевьева Сукай и Бернард Форт с помощью расположенного на Гавайях телескопа CFHT (Canada — France — Hawaii Telescope) заметили сильно вытянутую дугу в скоплении Abell 370, они знали, что, если ее спектр не соответствует спектру других копий той же галактики, они не смогут убедить кого-либо в том, что речь идет о реальном гравитационном линзировании. Изучив спектр и выяснив, что он идентичен спектру менее искривленных копий, ученые смогли доказать, что обнаружили гравитационное линзирование^{14}. Усовершенствованная оптика телескопов в конце концов доказала правоту Цвикки.

С тех пор мощный космический телескоп «Хаббл» позволил обнаружить множество других случаев гравитационного линзирования галактик. Отслеживая траекторию световых лучей, мы сегодня можем воссоздать в подробностях распределение невидимой материи в скоплениях, которое является причиной отклонения световых потоков. Однако линзирующие скопления встречаются не так часто; большая часть ночного неба предстает перед нами в неискаженном виде и передает истинную форму галактик. Неискаженные формы становятся основой, позволяющей определить мощность линзирования под воздействием отдельных участков, усеянных скоплениями галактик. Мне приходилось заниматься нанесением на карту участков темной материи в скоплениях, которые производят подобные линзовые эффекты. При наличии данных о нескольких линзирующих скоплениях, которые были собраны с помощью «Хаббла», моя работа и работа многих других ученых в данной области позволила обнаружить, что темная материя воздействует на скопления как в большом, так и в малом масштабе. По сути именно скопление темной материи отвечает за упомянутые линзовые эффекты, так как масса видимых звезд в галактиках в рамках скоплений незначительна для создания наблюдаемых искажений такой силы. Создавая карты темной материи внутри скоплений, мы обнаруживаем, что она состоит из двух видов: гладкой и размытой или комковатой, что может быть связано с галактиками в скоплении, которые удерживаются вместе за счет гравитации.