» » Вера Рубин, соткавшая темную материю

Вера Рубин, соткавшая темную материю


Вера Рубин, соткавшая темную материю

Вера Рубин анализирует спектры галактик в своей лаборатории в Департаменте земного магнетизма Института Карнеги в Вашингтоне, 1974 год. фото с сайта physicsworld.com


Пять лет назад в университетском городе Принстоне (штат Нью-Джерси, США) тихо покинула этот мир 88-летняя женщина, которая в 1970-е годы прочно вошла в историю астрономии. Она обрела это место благодаря серии фундаментальных достижений в области спектроскопии звездных скоплений, которые в значительной степени были итогом ее личных усилий. Полученные ею данные подтвердили странную гипотезу сорокалетней давности, которую считали чуть ли не чудачеством ее маститого, но весьма эксцентричного автора. Общепринятым символом этой гипотезы стал новый астрономический термин, пущенный в широкое обращение этим же автором — темная материя.

Гипотеза о существовании темной материи была высказана в 1933 году замечательным американским астрофизиком европейского происхождения (его отец был швейцарцем, а мать чешкой) Фрицем Цвикки. Так он окрестил вещество неизвестной природы, которое скрывается от оптических наблюдений в дальнем космосе и проявляет свое существование исключительно собственным тяготением, влияющим на структуру галактик.

Строго говоря, Цвикки не был оригинален в обновлении словаря астрономии. Впервые словосочетание «темная материя» в таком же смысле употребил шведский астроном Кнут Эмиль Лундмарк в 1930 году, а еще через год использовал его коллега из Нидерландов классик галактической астрономии и будущий иностранный член АН СССР Ян Хендрик Оорт. Однако лингвистическое нововведение Лундмарка мало кто заметил, да и замечательная работа Цвикки не привлекла особого внимания.

Вплоть до 70-х годов прошлого века существование несветящейся гравитирующей материи в космических глубинах было лишь красивым предположением, очень косвенно подтвержденным телескопическим сканированием некоторых спиральных галактик. Позже времена изменились, и чисто теоретический конструкт Цвикки начал укрепляться растущим массивом астрономических и астрофизических данных. Первую скрипку в этой великолепной симфонии сыграла замечательный астрофизик Вера Рубин, которой и посвящена эта статья. Особенно примечательно, что свое крупнейшее открытие она сделала, приближаясь к пятидесятилетию, и до этого не имела особой известности в профессиональных кругах.


Первые шаги

Вера Флоренс Купер Рубин появилась на свет в Филадельфии 23 июля 1928 года. Она была младшей из четверых детей инженера-электрика Филипа Купера, работавшего в знаменитой корпорации Bell Telephone, и его жены Розы. Отец и мать Веры родились в Российской империи и попали в США в потоке еврейской эмиграции начала двадцатого века. Филип Купер появился на свет неподалеку от Вильны в 1897 году и звался тогда Пейсахом Кобчефским — имя и фамилию он поменял в США. Его жена, в девичестве Роза Апельбаум, тоже оказалась в Америке в семье еврейских эмигрантов из тогдашней России. Филип в 1920 году закончил Пенсильванский университет и получил диплом по электротехнике.

Вскоре после рождения младшей дочери Филип Купер ушел из компании «Белл», чтобы совместно с шурином основать собственное торговое дело. Этот проект был загублен на корню разразившимся осенью 1929 года экономическим кризисом, который положил начало Великой депрессии. После нескольких лет жизни на случайные заработки отец Веры в 1938 году получил постоянную работу в лаборатории Министерства сельского хозяйства США, которая строилась в пригороде Вашингтона. Поэтому семья перебралась в федеральную столицу, где десятилетняя Вера пошла в пятый класс ближайшей школы.

После переезда Вера заинтересовалась астрономией — по ее воспоминаниям, наблюдая звезды и планеты в окошко своей спальни. В течение полугода ей повезло заметить сразу три довольно редких небесных явления — так называемые Великие соединения Сатурна и Юпитера. Во время этих событий, которые происходят в среднем раз в 20 лет, планеты сближаются на небесной сфере на очень малые расстояния, измеряемые лишь десятками угловых минут. Вера наблюдала Великие соединения планет-гигантов в созвездии Овна 15 августа и 11 октября 1940 года и 20 февраля 1941 года, когда дистанции между ними составляли, соответственно, 71, 74 и 77 угловых минут — немногим больше двух видимых диаметров полной Луны. Вероятно, эти наблюдения стали первыми примерами небесной гармонии, замеченной будущим исследователем Космоса.


Вера Рубин, соткавшая темную материю

Вера Рубин, соткавшая темную материю

Юпитер и Сатурн за несколько дней до Великого соединения, произошедшего 21 декабря 2020 года. Планеты — это яркие точки в темной части неба чуть левее центра фотографии, Юпитер более яркий. В момент наибольшего сближения на небосводе их разделяло всего 6 угловых минут. Следующее Великое соединение состоится только в 2040 году. фото с сайта nasa.gov


Когда девочке было 14 лет, отец помог ей сделать примитивный телескоп с тубусом из линолеума — фактически подзорную трубу с небольшим увеличением и слабенькой разрешающей способностью. Поскольку вашингтонское небо уже тогда было изрядно загрязнено уличным освещением, девочка ездила на автобусе в пригороды и оттуда рассматривала планеты и звезды.

С двенадцати лет Вера принялась самостоятельно копаться в библиотеке в поисках литературы о небесных телах и явлениях. Подобно многим юным любителям астрономии, она прочла и поняла популярные книги таких классиков космической науки, как Джеймс Хопвуд Джинс и Артур Стенли Эддингтон. В результате по окончании школы она твердо решила стать астрономом. Ей очень повезло с преподавателем математики, о котором она вспоминала как о лучшем наставнике своих школьных лет. А вот ее отношения с учителем физики не сложились до такой степени, что тот в прощальной беседе открытым текстом заявил, что ни в коем случае не рекомендует ей заниматься наукой. К счастью, этот совет остался втуне.

Окончив школу в 1945 году, Вера Купер получила стипендию Вассарского колледжа, одного из старейших американских центров высшего женского образования, рсположенного в городе Покипси в штате Нью-Йорк. Он был основан в 1861 году на деньги пивного короля Мэтью Вассара (Matthew Vassar) и, естественно, получил его имя. По инициативе своего отца-основателя колледж вскоре учредил не только кафедру астрономии, но и собственную обсерваторию. Первым профессором (с 1865 года и до отставки в 1888 году) по этой кафедре была Мария Митчелл. На эту должность ее выбрал лично Вассар, и не случайно — к тому времени уже составила себе имя в астрономии. В 1847 году Мария Митчелл, будучи библиотекарем в Нантукете в штате Массачусетс, открыла комету, названную ее именем (сейчас каталогизирована под индексом С/1847 Т1). Она пользовалась международной известностью, дважды побывала в Европе (во время второго путешествия в 1873 году гостила в Пулкове) и к тому же была отличным, хотя и нетрадиционным, педагогом. В качестве руководителя обсерватории она получила в свое распоряжение хороший телескоп с 31-сантиметровой апертурой и фотокамерой. С помощью этих приборов практически каждый ясный день она фотографировала солнечные пятна, а также вела систематические наблюдения двойных звезд и туманностей. Благодаря ее усилиям и престижу, число студенток, изучавших в Вассаре при ее жизни математику и астрономию, превзошло количество студентов Гарвардского колледжа, которые в те же годы слушали лекции по этим предметам. Двадцать пять ее учениц со временем нашли место в справочниках Who's Who in America. Остается добавить, что ее именем назван один из лунных кратеров.


Вера Рубин, соткавшая темную материю

18-летняя Вера Рубин позирует с телескопом Вассарского колледжа, 1946 год. фото с сайта epl.carnegiescience.edu


Вера с детства восхищалась Марией Митчелл и пошла в Вассар именно потому, что хотела продолжить ее путь в науке. Вообще-то выбор места учебы был не слишком удачен, поскольку астрономические исследования в Вассаре к тому времени остались в прошлом. Однако азы техники наблюдений, общей астрономии и небесной механики там преподавали, так что в этом плане учеба оказалась полезной. К тому же Вера имела практически свободный доступ к неплохому 19-сантиметровому рефрактору из обсерватории колледжа, чем весьма прилежно пользовалась.

Проучившись три года в Вассаре и получив в 1948 году диплом, Вера решила продолжить образование. Как раз тогда она познакомилась со своим будущим супругом Робертом Рубином, который в это время был аспирантом Корнеллского университета на отделении физической химии. Любовь была мгновенной, и вскоре молодые люди поженились. Чтобы не расставаться с мужем, Вера поступила в магистратуру Корнелла, отказавшись от предложения Гарвардского университета изучать астрономию в его аспирантуре. С профессиональной точки зрения это был второй сомнительный выбор. Тогдашний Корнелл предлагал магистрантам очень скромную программу по астрономии, которую вели всего два преподавателя. Общее число сотрудников астрономического отделения не превышало четырех, а основной его задачей считалось обучение студентов элементарной астрономии, по которой еще в начале 1940-х годов там был подготовлен учебник. Правда, на физическом факультете Корнелла работали такие гиганты, как будущие нобелевские лауреаты Ричард Фейнман и Ханс Бете, а также ученик Роберта Оппенгеймера и участник Манхеттенского проекта Филип Моррисон, который как раз тогда занялся астрофизикой. Вера Рубин почерпнула немало полезного из их лекций и семинаров, однако основное внимание сосредоточила на классической галактической астрономии. Ее интерес к этому предмету стимулировало общение с профессором Мартой Стар Карпентер (Martha Stahr Carpenter), которая читала вполне современные лекции по структуре и динамике галактик.


Вера Рубин, соткавшая темную материю

Вера и Роберт Рубины в день свадьбы, 25 июня 1948 года. фото с сайта epl.carnegiescience.edu


Вера Рубин в 1951 году получила степень магистра искусств после защиты (осенью 1950 года) диссертации, подготовленной под руководством Марты Стар. В своей работе она описала и проанализировала литературные данные о движении 108 галактик, расположенных в относительной близости от Млечного Пути. Еще во время обучения в Корнелле, в 1950 году, у них с Робертом родился первый сын.

История с диссертацией Веры Рубин стала весьма нетривиальной частью ее научной и человеческой биографии. В своем анализе она выделила две разновидности галактических движений. Одна из них — это хорошо известное к тому времени космологическое разбегание галактик, которое описывается знаменитым законом Хаббла и, как известно, служит видимым проявлением расширения Вселенной. Вера также пришла к выводу, что эти галактики участвуют и в коллективном движении вращательного типа, которое приводит к тому, что одни из них удаляются от Млечного Пути, а другие к нему приближаются. Она предположила, что этот тренд тоже имеет космологическую природу. Сама идея не была новой, ее пятью годами ранее высказал создатель квантовой теории альфа-распада и изобретатель горячей модели рождения Вселенной Георгий Гамов. Правда, он ее предложил только в качестве гипотезы в мало кем замеченной короткой заметке (G. Gamov, 1946. Rotating Universe?), о которой Вера скорее всего и не знала. Как бы то ни было, она дала своей диссертации весьма смелое название Evidence for a Rotating Universe as Determined from an Analysis of Radial Velocities of External Galaxies, которое вполне однозначно говорило о ее содержании.

Подобная смелость дорого ей обошлась. Астрономы середины прошлого века и вообще-то не слишком верили в существование галактических мегаструктур со своей собственной динамикой, и уж тем более не были готовы принять столь еретическую идею от 22-летней выпускницы заштатного астрономического отделения хотя бы и приличного университета. Она все же смогла доложить свою работу в десятиминутном выступлении на заседании Американского астрономического общества, но реакция аудитории (за исключением профессора Принстонского университета Мартина Шварцшильда, замечательного астрофизика и сына великого Карла Шварцшильда) была, мягко выражаясь, весьма скептической. Правда, редактор The Astronomical Journal Дирк Брауэр все же опубликовал короткую заметку с выжимкой из ее результатов (фактически, дайджест диссертации), но только под вполне нейтральным названием: Differential Rotation of the Inner Metagalaxy. Саму же диссертацию напечатать так и не удалось — ее отвергли и The Astronomical Journal, и The Astrophysical Journal.

Однако Провидение со временем вознаградило Веру Рубин за храбрость. В данном случае его рукой стал переехавший в США из Франции крупный специалист по внегалактической астрономии Жерар Анри де Вокулёр. К концу 1950-х годов он собрал убедительные аргументы в пользу своей гипотезы, высказанной несколькими годами ранее, согласно которой Местная группа галактик, которая включает и наш Млечный Путь, принадлежит гигантской галактической ассоциации, связанной силами тяготения. Сначала де Вокулёр именовал ее Местной Сверхгалактикой, но в 1958 году назвал Местным сверхскоплением (другое название — Сверхскопление Девы). Позднейшие исследования показали, что оно представляет из себя сплющенный вращающийся эллипсоид поперечником около 110 миллионов световых лет. В состав Местного сверхскопления входит около сотни галактических скоплений меньшего ранга, а его полная масса составляет 1015 масс Солнца. После замечательных работ де Вокулёра стало ясно, что Вера Рубин фактически обнаружила экваториальную плоскость этого сверхскопления, галактики которой, разумеется, участвуют в его вращении.

Хотя первая работа Веры Рубин содержала ряд неточностей и методических дефектов, в ретроспективе она предстает замечательным свидетельством оригинальности научного мышления молодого астронома. Интересно, что ее заметил и высоко оценил профессор астрономии Ленинградского университета Кирилл Федорович Огородников, который много лет занимался проблемами галактической динамики и опубликовал по этой теме две монографии (в 1948 и 1958 годах).

В этой же ретроспективе название работы в виде, в котором ее опубликовал Брауэр, глубоко символично. Прелюдией к выходу Веры Рубин на темную материю стали ее наблюдения все того же «дифференциального вращения», но не звездных ассоциаций, а индивидуальных спиральных галактик. Однако для этого понадобилось больше двадцати лет.


Долгий путь в большую науку

После окончания аспирантуры Роберт Рубин получил место в Лаборатории прикладной физики университета Джонса Хопкинса. Она была создана в 1942 году для работы над военными проектами под эгидой Пентагона и в этом качестве действует и поныне (выполняя также контракты НАСА и ряда других федеральных ведомств). Сейчас это огромная организация со штаб-квартирой вблизи города Лорел в штате Мэриленд, насчитывающая более семи тысяч сотрудников. До 1954 года она размещалась в переделанном гаражном здании в вашингтонском пригороде Силвер Спринг всего в нескольких милях от Белого дома. Неподалеку поселились и супруги Рубин с маленьким сыном. Позже у них родилось еще трое детей, причем все со временем защитили докторские диссертации по естественным наукам или математике (Дэвид, первенец, стал геологом, а единственная девочка в семье Джудит по стопам матери пошла в астрономию).

После возвращения в Вашингтон Вера оказалась без постоянной должности, но смогла найти только временную работу в Военно-морской лаборатории (United States Naval Research Laboratory). А потом ей помог случай, причем дважды. Она поступила в аспирантуру Джорджтаунского университета, единственное место в Большом Вашингтоне, где тогда можно было подготовить докторскую диссертацию по астрономии. Во главе аспирантской программы стоял директор университетской обсерватории иезуит Фрэнсис Хейден (Francis J. Heyden), который в основном занимался солнечной спектроскопией в духе XIX века и не был экспертом по части новейшей астрономии и астрофизики. Тем не менее он постоянно привлекал к чтению лекций сотрудников других вашингтонских научных центров. Среди них встречались крупные специалисты, у которых Вере Рубин было чему поучиться. Например, там преподавал Джон Хаген (John Hagen), руководитель радиофизической группы Военно-морской лаборатории, которая в 1950 году создала лучший в мире (конечно, для того времени) радиотелескоп. С программой Хейдена также сотрудничал Гамов, который был профессором университета Джорджа Вашингтона.

Хейден оценил способности Веры и рекомендовал ее Гамову. И это была не единственная рекомендация. Роберт Рубин работал в Лаборатории прикладной физики по соседству с Ральфом Алфером, бывшим аспирантом Гамова в университете Джорджа Вашингтона и соавтором теории Большого взрыва, и еще одним участником гамовской команды Робертом Херманом (Robert Herman). В то время их основные исследовательские интересы уже лежали в стороне от космологии (Алфер занимался динамикой сверхзвуковых газовых потоков, а Герман руководил группой молекулярных спектроскопистов), однако они не бросали работы над моделью горячей Вселенной. Алфер сохранил контакты с бывшим шефом и познакомил его с Верой. Так и получилось, что Гамов заинтересовался молодой выпускницей Корнелла и предложил ей готовить докторскую под его руководством. Он дал ей довольно интересную тему: разработать удобный математический метод для анализа пространственной плотности галактик и опробовать его на основе данных телескопических наблюдений.

С этой задачей Вера Рубин справилась вполне успешно и всего за пару лет. В декабре 1953 года она блестяще сдала аспирантские экзамены, а следующим летом получила докторскую степень.

В каком-то смысле вторая диссертация Веры Рубин повторила судьбу первой. Она была опубликована в престижном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, куда ее представил лично Гамов (V. Rubin, 1954 Fluctuations in the Space Distribution of the Galaxies). В качестве исходного материала Вера снова использовала литературные данные о распределении галактик в нескольких сравнительно небольших участках небесной сферы. Они содержались в сотнях снимков звездного неба, сделанных в Гарвардской обсерватории под руководством ее директора Харлоу Шепли и опубликованных еще в 1930-е годы. К началу 1950-х в Ликской обсерватории в штате Калифорния был собран куда более полный архив аналогичных данных, однако в годы учебы Веры Рубин в Джорджтауне они не были еще опубликованы. Сама она в аспирантские годы не вела телескопических наблюдений, поскольку обсерватория Джорджтауна не имела ничего лучшего, чем 12-дюймовый рефрактор, установленный еще в 1893 году. Гарвардские материалы она обрабатывала с помощью собственноручно выведенных формул для статистической оценки флуктуаций плотности галактического «газа» (то есть, звезд, которые рассматривались как газовые молекулы), что, конечно, повысило ценность диссертации как оригинальной работы.

Полученные результаты оказались весьма нетривиальны. Они позволяли с разумной вероятностью предполагать, что галактики не распределены в пространстве случайным образом, а проявляют тенденцию стягиваться в «комки». Конечно, в этом не было открытия (например, о скоплениях галактик еще в 1938 году писал Фриц Цвикки). Но астрономы взялись за изучение галактических кластеров лишь в последней трети XX века, так что и здесь аспирантка Гамова в чем-то опередила свое время.


Работа есть работа

После защиты докторской Вера в 1954 учебном году один семестр преподавала в двухлетнем колледже графства Монтгомери в вашингтонском пригороде Такома Парк (между прочим, 20 минут ходьбы от моего дома!) и тогда же стала членом Американского астрономического общества. Потом она вернулась в Джорджтаунский университет, где оставалась долгих 9 лет (правда, в 1963–64 учебном году она получила академический отпуск, который с большой пользой провела в Калифорнийском университете в Сан-Диего). Сначала она занимала должность астронома-исследователя, в 1960 году была повышена до лектора, а два года спустя стала ассистент-профессором. Она читала лекции по звездной статистике и динамике галактик, которые нравились ее студентам, а также занималась численным анализом результатов солнечной и галактической фотометрии. Любопытно, что первый проект финансировался Пентагоном, где рассчитывали использовать эту информацию для уточнения фигуры Земли, а на второй, которым она занималась совместно с де Вокулёром, Вера получила двухлетний грант от Национального научного фонда. Эта работа оказалась весьма утомительной и не принесла особо интересных результатов (они так и не были опубликованы, во всяком случае, под ее именем).

Но Вера не унывала. Ее карьерный прогресс оказался довольно медленным, настоящая научная известность еще не пришла, но женщине-астроному даже с докторской степенью в те времена трудно было ожидать большего. Вера все же смогла получить работу в столице, а не в заштатном провинциальном университете. К тому же в первой половине 1960-х она опубликовала (в основном, в соавторстве) около дюжины крепких статей по звездной спектроскопии и кинематике звезд и близлежащих галактик, которые убедительно подтвердили ее профессиональный статус.

А вот ее семейная жизнь, на контрасте с профессиональной, складывалась очень счастливо. Роберт в 1957 году получил хорошее место в Вашингтоне в Национальном бюро стандартов, так что в материальном плане семья прочно встала на ноги. Как уже было отмечено, в 1950–60 годах супруги Рубин обзавелись четырьмя детьми — тремя сыновьями, Дэвидом, Карлом и Аланом, и дочерью Джудит.


Поворот к открытиям

В 1971 году Джорджтаунский университет упразднил астрономическое отделение и закрыл обсерваторию (сейчас ее здание пребывает в забросе и фактически разваливается). Неизвестно, как сложилась бы научная судьба Веры Рубин, если бы она оставалась на прежнем месте — но этого не случилось. Ее работе в Джорджтауне пришел конец в 1965 году. 13 января профессор Рубин отправила декану джорджтаунской аспирантуры формальное заявление об отставке в конце академического года. Она мотивировала свое решение несогласием с политикой руководства астрономического факультета (если называть вещи своими именами, лично с Хейденом, хотя все же воздержалась от упоминания его имени). В дальнейшем она признавалась, что к тому времени устала от преподавательской работы и хотела бы посвятить больше времени и сил научным исследованиям.

К счастью для нее и астрофизики, этот план вполне удался. Вере Рубин уже в апреле посчастливилось получить место в замечательном научном центре — Департаменте земного магнетизма Института Карнеги в Вашингтоне. Он был учрежден в 1904 году по инициативе американского геофизика и астронома Луиса Бауэра, который выдвинул программу полной геомагнетной съемки земной поверхности и руководил ею в течение четверти столетия. Основанный в 1902 году Институт Карнеги практически с самого начала помогал исследованиям в области фундаментальной астрономии и астрофизики. В частности, знаменитая калифорнийская обсерватория Маунт-Вилсон была в значительной мере создана на деньги американского стального короля Эндрю Карнеги и до сих пор управляется институтом его имени.

Еще в начале 1960-х Вера Рубин осознала, что для серьезных самостоятельных исследований ей необходимо освоить практические методы астрономических и астрофизических наблюдений. В 1963 году, работая в Джорджтауне, она начала сотрудничать с переселившимися в США из Британии замечательными астрономами Джефри Рональдом Бербиджем и его женой Элинор Маргерит Бербидж. Они имели доступ к 82-дюймовому телескопу техасской обсерватории Мак-Доналд, который сейчас носит имя крупнейшего американского астрофизика российского происхождения Отто Струве. Пользуясь данными, полученными на этом инструменте, она вернулась к изучению вращения галактик. Придя в Институт Карнеги, Вера оказалась первой женщиной, получившей «окна» (увы, весьма узкие) для наблюдений на пятиметровом рефлекторе Паломарской обсерватории — тогда самом большом оптическом телескопе в мире. Постепенно она обрела навыки работы с новейшей астроспектрографической аппаратурой.

И здесь в ее пользу сработал человеческий фактор. В Департаменте земного магнетизма с 1955 года работал физик Кент Форд (Kent Ford), который в течение многих лет занимался созданием электроннооптических приборов на фотоумножителях. К середине 1960-х он изобрел чрезвычайно чувствительный (особенно к красному цвету) спектрограф, который тогда называли «карнегиевским кинескопом» (Carnegie image tube). Этот замечательный прибор при установке на крупные телескопы позволял фотографировать спектры крайне тусклых объектов, которые ранее были недоступны для наблюдений. Еще одним его преимуществом было десятикратное уменьшение времени экспозиции фотопластинок по сравнению со спектрографами прежних типов.

Форд был (во всяком случае, в то время) физиком, а не астрономом. С другой стороны, Вера Рубин так быстро обрела место в Департаменте именно потому, что его руководство хотело испытать с ее помощью возможности нового спектрографа в реальных телескопических наблюдениях. В рамках этого проекта Рубин и Форд несколько раз ездили в аризонские обсерватории Китт-Пик и имени Лоуэлла и получали отличные снимки спектров квазаров. Результаты этих тестов они обнародовали в совместной статье (V. Rubin, W. K. Ford Jr., 1965. Low-Dispersion Image Tube Spectra in the Red: 3C, 33, 48, Ton 256, and an Infrared Star).


Вера Рубин, соткавшая темную материю

Вера Рубин и Кент Форд (человек в белой каске) проверяют установку изобретенного Фордом спектрографа на большом телескопе Лоуэлловской обсерватории, 1965 год. фото с сайта astronomy.com


Тем не менее, вскоре Вера поняла, что, как она вспоминала много лет спустя, это была не та астрономия, которой ей хотелось заниматься. Новооткрытые квазары были очень горячей темой, их изучали десятки именитых ученых, имевшие куда лучший доступ к мощным телескопам. Она решила избрать немодную исследовательскую тему, над которой они с Фордом смогли бы спокойно работатать, не соревнуясь ни с кем в гонке за лидерство. Это решение и привело их к подтверждению гипотезы Цвикки о существовании темной материи.


Прорыв в неизвестность

Новая тема исследования оказалась фантастически удачной, хотя поначалу Вера этого, конечно, не знала. Она вспомнила свою старую работу о дифференциальном вращении и решила изучить этот феномен с помощью спектрометра Форда, — но не на галактиках, как раньше, а на внутригалактическом веществе. Начать она предпочла со всем известной галактики Андромеды (она же туманность М31 по каталогу Мессье), которая в 1920-е годы очень пригодилась Эдвину Хабблу в изучении Вселенной.

Выбор именно М31 был вполне естественным — это ближайшая к Земле гигантская галактика с четко оформленной спиральной структурой. Возможно, к этому Веру подтолкнула беседа с Мортоном Робертсом (Morton S. Roberts), сотрудником и будущим директором Национальной радиоастрономической обсерватории. В 1966 году он приезжал к ней в Департамент земного магнетизма, чтобы обсудить парадоксальный результат измерений скоростей скоплений нейтрального водорода, которые, подобно звездам, обращаются вокруг центра галактики Андромеды под действием силы тяготения. Он показал ей результаты промеров радиоизлучения водородных атомов на длине волны 21 см. Оно возникает, когда находящийся на нижнем энергетическом уровне единственный электрон такого атома переходит из состояния, в котором его спин параллелен спину ядра, в состояние, в котором эти спины антипараллельны. Такое излучение служит самой характерной спектральной подписью скоплений холодного водорода. Робертс рассказал, что измеренные скорости водородных облаков почти не уменьшаются по мере удаления от ядра Андромеды, что не соответствует третьему закону Кеплера. Об этом визите много лет спустя вспомнила Сандра Фабер, тогдашняя аспирантка Гарварда и в будущем известный специалист по внегалактической астрономии (Вера Рубин помогала ей в работе над диссертацией). Не исключено, что полученные от Робертса сведения усилили интерес Веры к изучению дифференциальных вращений газового наполнения туманности Андромеды. Впрочем, это лишь моя гипотеза.


Вера Рубин, соткавшая темную материю

Вера Рубин у 84-дюймового телескопа обсерватории Китт Пик. Металлический цилиндр рядом с ней — спектрограф Форда. фото с сайта astronomy.com


Как бы то ни было, Рубин и Форд в 1966 году решили заняться этой туманностью. Спектрограф Форда позволял с невозможной ранее точностью измерять радиальные скорости сильно нагретых скоплений водорода, ионизированного светом горячих звезд, принадлежащих этой галактике. Эти скорости предстояло определять стандартным методом — по сдвигу спектральных линий излучения водородных атомов (в основном, это были кванты серии Бальмера), обусловленных эффектом Доплера. Подготовка к измерениям в двух уже упоминавшихся аризонских обсерваториях заняла много времени, поэтому первую спектрограмму партнеры получили лишь в конце 1967 года. Потом в 1968 и 1969 годах они многократно повторяли эти измерения на 84-дюймовом телескопе обсерватории Китт-Пик и на 72-дюймовом телескопе обсерватории Лоуэлла. Это была тяжелая и изматывающая работа холодными аризонскими ночами в куполах телескопов на приличной высоте над уровнем моря. Для каждого сеанса приходилось заново монтировать тяжелый спектрограф на трубе телескопа, и снимать его, чтобы уступить место другим астрономам. Поэтому реализация проекта потребовала и упорства, и физической выносливости.

В декабре 1968 года Вера Рубин доложила предварительные результаты спектрографирования туманности Андромеды на сессии Американского астрономического общества в Остине. Среди слушателей был известный астрофизик (точнее, физик, ставший астрофизиком) Рудольф Минковский, племянник знаменитого немецкого математика Германа Минковского, который в 1908 году предложил математическую структуру четырехмерного псевдоевклидова пространства в качестве геометрической интерпретации пространственно-временного континуума специальной теорией относительности (тремя годами ранее несколько иную версию этой же структуры ввел в обращение великий французский ученый Жюль Анри Пуанкаре). Он высоко оценил доклад и настоятельно посоветовал Вере не тянуть с публикацией.

В июле 1969 года партнеры отправили в The Astrophysical Journal свое первое сообщение, которое было оубликовано в феврале следующего года (V. Rubin, W. K. Ford, Jr, 1970. Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions). Оно содержало информацию об измерении радиальных скоростей 67 скоплений ионизированного водорода на расстояниях от 3 до 24 килопарсек от центра Андромеды с точностью порядка 10 м/сек. Это был несомненный успех совместного проекта Веры Рубин и Кента Форда.

В их спектрограммах содержалась некая изюминка — или скорее даже загадка. Партнеры изучали как плотное быстро вращающееся центральное ядро Андромеды диаметром порядка одного парсека, так и ее периферию. Когда дистанция до центра галактики составила около двух килопарсек, линейные скорости газовых сгустков значительно уменьшились. Это свидетельствовало о падении плотности вещества галактики при удалении от ее ядра, что было вполне ожидаемо. Однако на расстояниях от 4 до 14 килопарсек от центра скорости газа почти не уменьшались, что ранее замечал и Робертс. Отсюда следовало, что масса Андромеды вплоть до этой границы возрастает приблизительно пропорционально дистанции от ядра, что не преминули отметить соавторы. На самой далекой периферии при расстояниях от центра вплоть до 24 килопарсек (на больших дистанциях измерения не проводились) этот рост хоть и замедлялся, но все же не прекращался. Всё выглядело так, как будто внутреннее пространство Андромеды заполнено неким веществом, которое вносит значительный вклад в ее поле тяготения. В этом плане Андромеда радикально отличается от Солнечной системы, чья масса почти полностью сосредоточена в центре.

Соавторы воздержались от выдвижения каких-либо радикальных гипотез по этому поводу, но их удивление прочитывается даже за сухим текстом статьи. Спустя много лет Вера Рубин призналась, что сначала совершенно не могла понять причин выявленного тренда. Для собственного потребления она даже придумала пару экстравагантных объяснений, которые, конечно, в статье не обсуждала и, к счастью, не опубликовала.

В принципе, Рубин и Форд не должны были чрезмерно удивиться полученным данным. Немецкий астроном Максимилиан Вольф и независимо от него американец Весто Мелвин Слайфер с помощью спектроскопических измерений обнаружили вращение Андромеды еще в 1914 году (отмечу, что это случилось задолго до того, как Эдвин Хаббл доказал, что ее следует считать отдельной галактикой). А через три года Фрэнсис Пиз из обсерватории Маунт-Вилсон заметил, что близкие к центру области Андромеды вращаются с приблизительно одинаковыми скоростями.

Следующий важный шаг в 1939 году сделал аспирант Калифорнийского университа Хорес Уэлкам Бэбкок (в будущем директор знаменитых обсерваторий Маунт-Вилсон и Маунт-Паломар и создатель первой теоретической концепции адаптивной оптики, которая в последние десятилетия сильно расширила возможности оптической астрономии). Он получил спектрограммы излучения горячего ионизированного водорода, исходящего из пяти участков диска Андромеды, расположенных на различных расстояниях от ее центра. Анализ этих данных привел егок выводу, что внешние зоны М31 вращаются приблизительно с постоянной линейной скоростью, которая почти не зависит от их удаленности от ядра. Бэбкок специально отметил, что такой характер движения противоречит хорошо известному распределению планетарных скоростей, которые, согласно третьему закону Кеплера, убывают по мере удаления от центра обратно пропорционально квадратному корню среднего радиуса их орбит. В качестве одного из возможных объяснений он (теперь понятно, что вполне правильно) предположил концентрацию несветящегося вещества у внешней границы галактики (H. W. Babcock, 1939. The Rotation of the Andromeda Nebula). В 1951 году аналогичные результаты опубликовал его соотечественник Николас Мейол (N. U. Mayall, 1951. Comparison of Rotational Motions Observed in the Spirals M31 and M33 and in the Galaxy). Рубин и Форд знали об этих работах и сослались на них в своей статье. Однако заключения Бэбкока и Мейола не отличались высокой точностью, допускали различные интепретации и после публикации не вызвали особого интереса в астрономическом сообществе.

В 1971 году Рубин и Форд напечатали еще одно сообщение о спектроскопических наблюдениях Андромеды (V. Rubin, W. K. Ford, Jr., 1971. Radial Velocities and Line Strengths of Emission Lines across the Nuclear Disk of M31). Соавторы подтвердили свои прежние выводы о радиальном распределении скоростей и обнародовали информацию о структуре и составе тонкого газового диска в галактическом ядре. А еще через четыре года Мортон Робертс и Роберт Уайтхерст опубликовали данные о движении атомарного водорода на периферии южной зоны Андромеды, полученные с помощью мониторинга на 300-футовом радиотелескопе обсерватории Грин-Бэнк все на той же классической длине волны 21 см. (M. S. Roberts, R. Whitehurst, 1975. The Rotation Curve and and Geometry of M31 at Large Galactocentric Distances). Эти данные вполне согласовывались с результатами их коллег из Департамента земного магнетизма.

В 1975 году Кент Форд установил свой прибор на спектрограф 4-метрового телескопа-рефлектора имени Мейола (Nicholas U. Mayall Telescope), действующего в Национальной обсерватории Китт-Пик с 1973 года. На следующий год подобным же образом был модернизирован спектрограф точно такого же зеркального телескопа имени Виктора Бланко Межамериканской обсерватории Серро-Тололо в чилийской пустыне Атакама. Получив доступ к этим великолепным инструментам, Вера Рубин и Кент Форд смогли значительно расширить наблюдения галактик как на северном, так и на южном небосводе. Полученные результаты стали содержанием без малого пяти десятков статей, опубликованных (часто в соавторстве с другими учеными) в The Astrophysical Journal и The Astronomical Journal. Эти работы (а также позднейшие наблюдения на других телескопах) окончательно закрепили за Верой Рубин место одного из самых авторитетных специалистов по галактической астрономии второй половины двадцатого века.


Deus ex machina: воскрешение темной материи

Вера Рубин рассказывала мне, что они с Фордом в принципе знали о гипотезе темной материи, но, приступая к исследованиям, о ней не думали и вовсе не планировали ее проверять. Так что не стоит удивляться, что термин «темная материя» отсутствует в их первой публикации. Хотя в последующих работах Рубин неоднократно подтверждала наличие несветящейся материи на галактической периферии, основные ее интересы как астронома и астрофизика (по ее собственным словам) всегда были сосредоточены на получении оптической информации о морфологии и динамике галактик различных типов.

Первое четкое упоминание возможной связи между парадоксальным распределением скоростей вещества спиральных галактик и наличием там скрытой массы появилось в статье молодого австралийского астронома и астрофизика Кеннета Чарльза Фримена, напечатанной всего через четыре месяца после статьи Рубин и Форда (K. C. Freeman, 1970. On the Disks of Spiral and S0 Galaxies). Эта замечательная работа весьма содержательна, но в контексте проблемы темной материи главный интерес представляет лишь ее небольшая часть. Фримен обнаружил некеплеровское распределение скоростей при изучении полученных другими астрономами данных о двух спиральных галактиках, М33 и NGC 300. Обсудив эту ситуацию с Робертсом, он отметил в своей статье, что если литературные данные верны, то в этих галактиках должна присутствовать дополнительная материя, которая не детектируется ни с помощью оптических наблюдений, ни посредством радиоастрономического мониторинга на волне 21 см. Ее полная масса, подчеркнул Фримен, как минимум не меньше массы наблюдаемых компонент галактик, а ее пространственное распределение должно сильно отличаться от распределения вещества, выявляемого при оптических наблюдениях. Правда, Фримен тоже не ссылался на Цвикки и не использовал выражения «темная материя», но по сути он писал именно о ней и о ее необычных свойствах. Сейчас мы знаем, что темная материя может составлять львиную долю массы галактик и что она концентрируется не в центральных областях, а в галактических гало.

Вскоре измерениями дифференциального вращения галактик занялись другие ученые, которые раз за разом подтверждали постоянство скоростей вращения галактического вещества на большом удалении от центра на все более обширном эмпирическом материале. Например, в 1972 году американские радиоастрономы Дэвид Рогстад (David H. Rogstad) и Сет Шостак сообщили об отсутствии кеплеровского падения скоростей у вещества пяти галактик, проследив этот тренд даже на очень далекой периферии этих звездных скоплений. Потом подключились и другие исследователи. Так, радиоастроном из Нидерландов Альберт Босма в 1978 году обнародовал данные о некеплеровском вращении двадцати пяти спиральных галактик с различной морфологией.

Надо отметить, что некеплеровский характер вращения спиральных галактик был признан отнюдь не сразу. Например, в 1973 году группа кембриджских радиоастрономов опубликовала свои собственные данные о дифференциальном вращении туманности Андромеды, которые вполне соответствовали кеплеровской модели. В этом нет ничего удивительного. Признание новых научных данных, противоречащих устоявшимся взглядам, как правило, требует немалого времени.

Через несколько лет к вращению галактик вернулись и Вера Рубин с Кентом Фордом. В середине 1970-х они вместе с партнерами занимались движениями нашей Галактики и Местной Группы. Однако в 1978 и 1980 годах в соавторстве с Норбертом Тоннардом (Norbert Thonnard) они опубликовали две статьи, вновь посвященные ротационным свойствам галактик. Эти наблюдения Вера Рубин продолжала вместе с партнерами по исследованиям и в 1980–90-е годы. За это время она дополнительно изучила спектры более чем двухсот галактик и обнаружила, что почти все они содержат большие количества темной материи.

Важно подчеркнуть, что ожидаемые и реальные скорости вращения вещества галактик различаются не на проценты или даже десятки процентов, а в разы. Так, типичные скорости движения периферийных звезд и газа, вычисленные в предположении центральной концентрации галактических масс, для крупной спиральной галактики составляют 30–40 км/сек, в то время как реальные скорости пребывают в интервале 150–200 км/сек. Разница, как видим, весьма серьезная.

Основополагающими работами Рубин с Фордом и Кеннета Фримена заинтересовались и теоретики. В 1973 году Джереми Острайкер и Нобелевский лауреат по физике 2019 года Филлип Джеймс Эдвин Пиблз показали, что плоские спиральные галактики, в том числе и наш Млечный Путь, обязаны деформироваться и разрушаться из-за различных возмущений, не обладающих симметией относительно галактической оси (J. P. Ostriker, P. J. E. Peebles, 1973. A Numerical Study of the Stability of Flattened Galaxies: or, Can Cold Galaxies Survive?). В то же время из их вычислений следует, что галактика становится стабильной, если она погружена в сферическое облако (то есть, гало) массивной материи много большего размера, чем ее видимый диаметр. Такое облако удерживает своим тяготением в равновесии звезды и галактический газ и не дает галактике рассыпаться. Острайкер и Пиблз (вероятно, за неимением лучшей версии) предположили, что гало состоит из множества очень тусклых звезд, невидимых в телескопы.

Через год эти же ученые вместе с израильтянином Амосом Яхилом в новой работе обосновали свою гипотезу с помощью аргументов, основанных на сопоставлении имеющейся информации о массах и светимости спиральных галактик (J. P. Ostriker et al., 1974. The Size and Mass of Galaxies, and the Mass of the Universe). Они отметили, что суммарная масса типичной галактики может как минимум в десять раз превосходить массу ее светящегося вещества. Соавторы особо подчеркнули, что это обстоятельство имеет большое значение для космологии, поскольку позволяет заново пересчитать полную массу Вселенной в сторону значительного увеличения. Сходные идеи высказывали и другие ученые, в том числе тартусский астроном Яан Эйнасто и члены его группы (J. Einasto et al., 1974. Dynamic evidence on massive coronas of galaxies). Несколько необычный заголовок их заметки в Nature объясняется тем, что вместо общепринятого термина «галактическое гало» соавторы использовали менее употребительный — «галактические короны». Так что необходимость существования скрытой массы в окрестности галактик получила и теоретическое подтверждение.

В общем, к середине 80-х годов почти все астрономы поверили, что галактики окружены более или менее сферическими облаками невидимой материи. Сначала это было доказано для спиральных галактик и плоских галактик без спиральной структуры, а затем и для большинства галактик с эллиптической морфологией. Также астрономы выяснили, что доля темной материи в общей массе галактики может составлять до 90%. Более того, с течением времени справедливость этих выводов была продемонстрирована и для галактик, удаленных от Млечного Пути на космологические дистанции. Вряд ли нужно уточнять, что всё это богатство наблюдений и теоретических моделей очень хорошо работало на гипотезу Цвикки. Альтернативой могло стать предположение, что ньютоновский закон тяготения требуют поправок, но такая точка зрения, мягко говоря, не пользовалась (и не пользуется) популярностью.


Вера Рубин, соткавшая темную материю

Вера Рубин вместе с Джоном Гленном на торжественном приеме. Гленн стал первым американским астронавтом, побывавшим в космосе. Его почти 5-часовой полет состоялся 20 февраля 1962 года. Свой второй полет он совершил в 1998 году на борту шаттла «Дискавери» — на тот момент ему было 77 лет. фото с сайта flickr.com


Эпитафия

Вера Флоренс Рубин скончалась 25 декабря 2016 года. В 2008 году она потеряла мужа, а через шесть лет и дочь Джуди, которые скончались от множественной миеломы. В последние годы она уже не могла работать — старческая деменция брала свое. Хотя Бог послал ей нелегкую старость, на жизнь она никогда не жаловалась.


Вера Рубин, соткавшая темную материю

Вера Рубин со своими внучками и внуком в Шамони (Франция), 1986 год. фото с сайта epl.carnegiescience.edu


Вера Рубин в общей сложности опубликовала, одна или с соавторами, порядка ста научных работ. Суммарное количество ссылок на эти публикации в реферируемых профессиональных журналах на конец 2021 года превысило 23 сотни и продолжает расти. Разумеется, ей совершенно заслуженно досталось немало наград. Она была удостоена одиннадцати почетных степеней и множества иных отличий, включая Национальную научную медаль США (1993), Груберовскую международную премию за космологические исследования (2002) и медаль Джеймса Крейга Уотсона, присужденную в 2004 году Национальной академией наук США. В члены Национальной академии ее избрали еще в 1981 году — кстати, она оказалась второй женщиной-астрономом, удостоенной этой чести (первой была Маргерит Бербидж). А еще через пятнадцать лет она получила чрезвычайно престижное членство в Папской академии наук. За двадцать лет до кончины Вера Рубин была отмечена Золотой медалью Королевского астрономического общества — до этого единственной женщиной-лауреатом была сестра и верная помощница великого Уильяма Гершеля Каролина Гершель, награжденная в 1828 году. Вера Рубин стала первой женщиной, чье имя специальным постановлением Конгресса США (Public Law 116-9) было присвоено новой астрономической обсерватории (ее сейчас строят на горе Серро-Пачон в Чили).


Вера Рубин, соткавшая темную материю

Слева — церемония включения в члены Национальной академии наук США, 1982 год. Справа — президент Билл Клинтон вручает Вере Рубин Национальную научную медаль. Фотографии с сайта epl.carnegiescience.edu


Я мог бы еще долго рассказывать о трудах и днях Веры Рубин. Например, о том, сколько сил она положила на помощь женщинам-ученым, или о ее визите в 1997 году на американскую антарктическую станцию Амундсен-Скотт, расположенную на Южном полюсе. Или о том, какой она была замечательной матерью и бабушкой, любимой и уважаемой многочисленными родственниками и друзьями. Но перо мое слабо, и время поставить точку.

Алексей Левин


31 декабрь 2021 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Нобелевская премия по физике — 2020

Лауреатами Нобелевской премии по физике за 2020 год стали британец Роджер Пенроуз, немец Райнхард Генцель и американка Андреа Гез. Как сказано в официальной формулировке, Пенроуз награжден «за

Сесилия Пейн — хозяйка звездной кухни

10 мая исполнилось 120 лет с рождения замечательного астрофизика Сесилии Пейн. Она обнаружила, что звезды в основном состоят из водорода и гелия. Ее открытие стало одним из важнейших этапов в

Галактики-«головастики»

На этом изображении, полученном космическим телескопом «Хаббл», видна структура, напоминающая головастика: можно заметить яркую «голову» и вытянутый «хвост». 

Новые результаты не подтверждают загадочную рентгеновскую линию излучения

Полгода назад две группы исследователей сообщили об обнаружении неизвестной линии излучения в рентгеновских спектрах галактик. Заявление звучало сенсационно, поскольку это излучение могло идти от

Что находится между галактиками?

Все, что астрономы знают о Вселенной известно благодаря наблюдениям. Вглядываясь в глубины космоса, космический телескоп Hubble отправляет на нашу планету снимки далеких звезд, планет и галактик. ...

Обнаружен сигнал темной материи?

Физики из Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии сообщили о нетипичном излучении фотонов, которое они обнаружили в рентгеновских лучах. По мнению ученых, это может быть сигналом от
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
«Фантастические твари»: животные, которые нас удивили в 2021 годуЧто происходит: квантовые компьютерыПочему в Арктике начал светиться снегСтранная наука – 20219 привычек, которые помогут дожить до 100 летОфринительные паукиИнформационная автократия – новый тренд мировой политикиУченые нашли новые данные о появлении жизни на Земле