Предположим, что наше Солнце размером с апельсин. Тогда Земля будет зернышком в 1 мм, расположенным на расстоянии 20 м от апельсина, обращаясь вокруг него. Если придерживаться этого масштаба, то ближайшая звезда будет находиться на расстоянии 10 000 км. Именно так располагается материя в таких галактиках, как наша. Если бы все звезды из всех галактик были равномерно распределены в межгалактическом пространстве, то каждая из них находилась бы в несколько сотен раз дальше от своего ближайшего соседа, чем в действительности. В таком случае в нашей модели каждый апельсин будет находиться в миллионах километров от своего ближайшего соседа.
Если распылить все звезды, а их атомы равномерно распределить по Вселенной, то дело кончится тем, что на 10 м3 будет приходиться всего один атом. Примерно столько же вещества (не больше) содержит газ, рассеянный между галактиками. В целом выходит 0,2 атома на 1 м3, что в 25 раз меньше критического значения плотности 5 атомов на 1 м3, которое нужно для того, чтобы притяжение развернуло космическое расширение вспять.
СКОЛЬКО ТЕМНОЙ МАТЕРИИ?
Отношение фактической плотности к критической – очень важное число. Специалисты по космологии обозначают его греческой буквой Ω. Судьба Вселенной зависит от того, достигает ли число Ω единицы. На первый взгляд наша оценка реальной средней концентрации атомов в космосе предполагает, что Ω равна всего лишь 1/25 (или 0,04), обещая вечное расширение до огромных пределов. Но мы не должны слишком легкомысленно относиться к этому заключению. В конце XX в. мы пришли к пониманию, что во Вселенной есть много того, чего мы не видим, например невидимая материя, состоящая в основном из так называемого «темного вещества» неизвестной природы. То, что светится, – галактики, звезды и сияющие облака газа – это лишь малая и достаточно нетипичная часть того, что есть на самом деле, подобно тому как самыми заметными объектами на нашем земном небе являются облака, которые на самом деле всего лишь пар, клубящийся в куда более плотном прозрачном воздухе. Большинство материи во Вселенной – основной источник числа Ω – не излучает ни света, ни инфракрасных лучей, ни радиоволн, ни каких-либо других видов излучения. Поэтому ее очень трудно обнаружить.
Собранные с начала разработки этой темы доказательства существования темной материи теперь уже являются практически неоспоримыми. По тому, как движутся звезды и галактики, можно предположить, что что-то невидимое оказывает на них гравитационное воздействие. Это аргумент того же типа, какой мы приводим, предполагая существование черной дыры, когда видим звезду, которая выглядит так, словно обращается вокруг невидимого компаньона. Такую же аргументацию использовали в XIX в., когда планета Нептун была обнаружена из-за того, что орбита Урана искажалась под воздействием притяжения более отдаленного невидимого объекта.
В Солнечной системе существует равновесие между тяготением, которое заставляет планеты падать на Солнце, и центробежной силой орбитального движения. Подобным же образом в более крупном масштабе всей Галактики существует равновесие между тяготением, которое держит все вместе, и разрушительным эффектом движения, который, если бы не действовало тяготение, разбросал бы звезды в стороны. О существовании темной материи можно судить, потому что наблюдаемое нами движение оказывается удивительно быстрым – слишком быстрым, чтобы быть уравновешенным притяжением видимых звезд и газа.
Мы знаем, насколько быстро Солнце обращается вокруг центра Галактики. Мы можем рассчитать скорость звезд и газовых облаков в других галактиках. Эти скорости, особенно скорости «отщепенцев», вращающихся вдали от центра Галактики, дальше большинства других звезд, подозрительно высоки. Если бы внешний газ и звезды испытывали на себе только силу притяжения того, что мы видим, они бы уже покинули свои орбиты, как Нептун и Плутон покинули бы сферу влияния Солнца, если бы двигались так быстро, как Земля. Такие высокие наблюдаемые скорости говорят нам о том, что галактики окружает тяжелое невидимое гало: подобно тому как если бы Плутон двигался так же быстро, как Земля (но при этом оставался на своей орбите), нам бы пришлось предположить существование тяжелой невидимой оболочки, располагающейся вне орбиты Земли, но внутри орбиты Плутона.
Если бы не существовало большого количества темной материи, галактики были бы нестабильны и разлетелись на части. Красивые изображения дисков и спиралей представляют собой то, что, в сущности, является «светящимся осадком», который удерживают в гравитационной ловушке огромные скопления темных объектов, о природе которых мы знаем очень мало. Галактики в десять раз больше и тяжелее, чем мы привыкли думать. Тот же самый аргумент применим и к большему масштабу, к целым скоплениям галактик, которые в поперечнике занимают несколько миллионов св. лет. Чтобы удержать их вместе, требуется сила притяжения материи, которой должно быть раз в десять больше, чем мы видим.
Конечно, существует одно допущение, которое лежит в основе всех этих предположений о темной материи, а именно: мы считаем, что знаем силу притяжения, которую дают видимые нам объекты. Внутреннее движение внутри галактик и их скоплений по сравнению со скоростью света является медленным, поэтому никаких релятивистских усложнений нет. Следовательно, мы просто используем закон обратных квадратов Ньютона, который говорит о том, что если расстояние между нами и какой-то массой увеличивается вдвое, то сила притяжения становится в четыре раза слабее. Некоторые скептики могут нам напомнить, что этот закон по-настоящему был проверен только в пределах нашей Солнечной системы, и его приходится принимать на веру, когда речь идет о масштабах в сотни миллионов раз больших. На самом деле сейчас у нас есть весьма заманчивые данные (см. главу 10), указывающие на то, что в масштабах всей Вселенной силу тяготения, возможно, перекрывает другая сила, которая вызывает отталкивание, а не притяжение.
Мы должны сохранять объективность (или, по крайней мере, оставить пространство для маневра), подходя к возможности того, что нашим представлениям о тяготении потребуется переоценка. Если действующая на больших расстояниях сила будет мощнее, чем мы ожидаем, опираясь на закон обратных квадратов (т. е. если она не будет становиться в четыре раза слабее при увеличении расстояния в два раза), то будет абсолютно ясно, что вопрос о темной материи требуется пересмотреть. Но мы не должны отказываться от своей теории тяготения без борьбы. У нас может возникнуть искушение так поступить, если не найдется вероятных кандидатов для темной материи. Тем не менее вариантов может быть много; только если все они окажутся несостоятельными, мы должны быть готовы к тому, чтобы отвергнуть и Ньютона, и Эйнштейна
{10}.
