Скрытую массу открыли экспериментально, в отличие, кстати, от темной энергии. Первый намек на скрытую массу появился в 1933 году. Тогда еще только-только открыли галактики, вообще выяснилось, что у нас во Вселенной есть наша Галактика и есть другие галактики. Вслед за этим выяснилось, что галактики образуют скопления, и их начали изучать. Изучая крупное скопление галактик в Волосах Вероники, известный астроном Цвикки обнаружил, что, с одной стороны, оно выглядит полностью вириализованным ― за этим мудреным словом скрывается то, что, говоря по-простому, скопление полностью установилось.
Представьте, что у вас есть бассейн, разделенный на две части. Вы убрали стенку — вода хлынула. Первое время в нем будут ходить волны, а потом все успокоится на новом уровне. Скопление в Волосах Вероники выглядело полностью завершенным: там было правильное распределение по скоростям, все было замечательно, за одним исключением — ему катастрофически не хватало массы.
Рассмотрим отдаленный, но на самом деле очень похожий пример — Солнечную систему. У нас есть планеты, которые вращаются вокруг Солнца. Все опять-таки вириализовано ― в том смысле, что стабильно, ― все движется по стационарным орбитам, и практически ничего не меняется, наша Земля вращается вокруг Солнца со скоростью примерно 30 км/с. Теперь представим себе, что 90% Солнца кто-то приватизировал и осталось 10%. Тогда окажется, что гравитационная сила уже недостаточно сильна, чтобы удерживать Землю на ее круговой орбите, и она полетит практически по прямой — 10% от Солнца почти не будут ее сдерживать.
Именно такую картину увидел Цвикки в 1933 году. Он предположил, что на самом деле, помимо звезд, газа и других видимых компонентов, в скоплении галактик Волос Вероники есть еще какая-то скрытая масса. Он так ее и назвал по-немецки ― Dunkle Materie, то есть темная материя. Но тогда в это открытие как-то не все поверили, и серьезно его очень долго никто не рассматривал. Были другие объяснения: говорили, что, может быть, звездная масса неправильно подсчитана, в конце концов, наверное, действительно скопление просто разлетается. Это было странно, потому что оно бы разлетелось за гораздо меньшее время, чем возраст Вселенной. В общем, вопрос висел. И позже, когда исследовали взаимодействующие галактики, возникали проблемы. В некоторых книжках, даже научно-популярных, уже писали, что существуют какие-то неведомые силы, которые пока неизвестны науке.
Но в конце 1970-х годов темную материю наконец открыли. Произошло это следующим образом. Группа астрономов наблюдала отдельные галактики в радиотелескоп. Они смотрели, с какой скоростью обращаются объекты — звезды или газ — вокруг центра галактики в зависимости от расстояния. Достаточно школьной физики, чтобы, зная скорость и радиус, определить массу внутри данного радиуса. Была выявлена поразительная вещь: количество звезд в галактике всегда спадает с радиусом. По мере отдаления от центра их становится все меньше, а на периферии галактики звезд уже решительно нет, там летают отдельные клочки газа, которые еще видно в радиотелескоп. Таким образом, даже по наблюдениям этих отдельных клочков газа можно обнаружить, что масса галактики растет с радиусом, хотя там уже решительно ничего нет. После этого открытия сообщество уже поверило, что есть некая темная материя.
Правда, была альтернативная версия. Было предположение, что гравитационный закон ― второй закон Ньютона ― неверен, что на самом деле ускорение непропорционально силе, действующей на тело, а есть некая малая поправка. Ускорения, с которыми мы сталкиваемся в данном случае, очень малы, и на Земле мы плохо их знаем. Поэтому были идеи, что-либо нужно модифицировать динамику, либо предположить, что есть некая темная материя или скрытая масса.
Некоторое время эти возможности были равнозначны, но потом постепенно накапливались наблюдательные факты, и стало ясно, что это именно скрытая масса, или темная материя. Это стало ясно из двух основных наблюдений. Во-первых, был измерен фон реликтового излучения, то есть излучения, которое образовалось в момент, когда еще не было ни звезд, ни галактик, а Вселенная была наполнена однородным газом. То излучение, которое отделилось от газа, мы можем наблюдать до сих пор. В настоящий момент его температура где-то 3 кельвина, и в нем имеются неоднородности, по которым мы можем судить, сколько вещества во Вселенной.
В настоящий момент во Вселенной есть темная материя, темная энергия и обычное вещество. Во времена, когда образовалось реликтовое излучение, вклад темной энергии был совершенно ничтожный: были только темная материя и обычное вещество. Но количество обычного вещества можно определить другим способом, по химсоставу. Мы знаем, что обычного вещества было не больше 20–25% (эти оценки несколько меняются). По идее, его должно быть 100%, если нет темной материи, но его явно не 100%. То есть уже тогда существовала какая-то очень необычная компонента. Соответственно, если вы хотите сказать, что темной материи нет, а есть некая модификация динамики или законов тяготения, то вы должны объяснить и этот факт.
В конце 2000-х годов было подробно исследовано скопление галактик, которое называется Пуля. Когда мы наблюдаем скопление галактик, основная часть его массы находится в виде газа, в который оно погружено. В нем есть и галактики, и звезды, но основная часть массы находится в газе. Туманность Пуля — это два сталкивающихся скопления, то есть они прошли друг сквозь друга. Произошло вполне естественное событие: звезды проскочили друг сквозь друга, не заметив, потому что столкновение звезд крайне маловероятно. А вот газ столкнулся, и теперь мы наблюдаем два скопления галактик без газа и газ в центре. Если бы не было темной материи, то почти вся масса была бы сосредоточена в этом газе. Однако по гравитационному линзированию мы можем определить, как масса расположена на самом деле. Выясняется, что основная часть массы прошла друг сквозь друга. Если это темная материя, то она не взаимодействует ни с чем, поэтому проходит свободно.
Если же это модификация гравитации, то, может быть, можно что-то придумать, но пока правдоподобных объяснений неизвестно. И главное, если мы хотим модифицировать динамику, то это нужно делать единым образом. Вы можете модифицировать ее как угодно, но это, во-первых, не должно противоречить уже известным наблюдениям, опытам, которые проводятся на Земле, а во-вторых, оно должно быть универсально, то есть, если вы ее модифицировали, этот закон должен работать везде, как сейчас мы считаем, что везде работает закон Ньютона.
Сделать единую модификацию, которая бы описывала все явления, иначе объясняющиеся темной материей, пока никому не удалось. Таким образом, темная материя проявляет себя как минимум в трех разных независимых наблюдениях, на трех разных масштабах, и поэтому мы верим в то, что она существует, это действительно наблюдательный факт. Темная материя никак не может быть сведена к известным нам формам материи, таким как газ, черные дыры или какие-то очень легкие звезды, которые мы не видим, потому что они настолько легки, что не светятся, в них не загорелись ядерные реакции.
На заре данной науки подобные теории были, но уже тогда, еще до наблюдения реликтового излучения и прочих наблюдений, они уже выглядели очень сомнительно, и там возникали очень большие проблемы. Например, если мы предположим, что вещество, окружающее нашу Галактику, состоит из газа, то придумать модель, при которой такое количество газа будет совершенно невидимо, практически невозможно: он либо начнет формировать звезды, либо его будет просто видно в линии, потому что сейчас очень хорошая наблюдательная техника. Поэтому, если бы это было обычное вещество, мы бы его давно заметили. То есть придумать модель без привлечения темной материи очень трудно.
После открытия того, что уже в момент возникновения реликтового излучения, когда был просто однородный газ и некая большая компонента из очень необычного вещества, обычное вещество, конечно, не подходит для описания темной материи. Таким образом, сейчас существование темной материи — это надежно установленный наблюдательный факт. Конечно, может быть, что-то откроется, но это крайне маловероятно, потому что это должна быть очень экзотическая теория, не предполагающая темной материи. Скорее всего, она просто невозможна.
