Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

Кстати, что она делает, когда где-то «находится»? Только что приведенную аналогию со светом (смысл которой был в отсутствии взаимодействия) не надо воспринимать буквально: частицы темной материи не летают как свет. Судя по ряду косвенных данных, их скорости (относительно видимого вещества) сравнительно невелики. На своем жаргоне физики выражают это словом «холодная». Именно модель эволюции Вселенной, в которой с очень ранних пор имеется холодная темная материя, лучше всего объясняет, как происходило развитие от плотной горячей расширяющейся Вселенной (Большой взрыв) к современному состоянию. «Холодная» – это жаргон в квадрате, потому что темная материя, по всей видимости, как раз лишена возможности остывать. Когда облака обычного газа в космосе нагреваются – скажем, от гравитационного сжатия или внутреннего трения, – они могут остывать, излучая свет (электромагнитные волны), буквально как любая железка, которую вы захотите нагреть докрасна или даже добела на огне. Материя, оказавшаяся достаточно близко к черной дыре, разогревается за счет трения и светится (рис. 3.13 – это картина радиоволн, испущенных такой нагретой материей). Но то обычная материя. Темная же материя, по-видимому, лишена возможности тереться сама о себя и соединяться в какие-либо структуры, потому что все эти процессы основаны на взаимодействиях, в которых она не участвует. Заодно с «отвязанностью» от электромагнитных волн/света она, скорее всего, лишена и сколько-нибудь значимого взаимодействия сама с собой – кроме, разумеется, гравитационного. Темная материя – это облака проходящих друг через друга частиц, собранных вместе собственным притяжением. Частицы долетают до периферии облака, пока его общая гравитация не возвращает их обратно. Картина получается малоинтересной для нас, избалованных разнообразным структурированием материи (протоны и нейтроны, атомные ядра, атомы и бесчисленные их соединения), но, как выясняется, она совершенно необходима для существования структур, милых нашему глазу. Каждая (почти каждая) галактика, светящаяся в оптическом, и/или радио-, и/или рентгеновском диапазоне, окружена сферическим «облаком» примерно в десять раз большего размера, состоящим из темной материи. Это облако обеспечивает притяжение, позволяющее звездам в галактиках обращаться вокруг центра с должной быстротой. Оно называется гало темной материи. Для ряда галактик даже удается экспериментально определить форму гало, например степень его эллиптичности. Гало изображено на рис. 3.15; я хочу подчеркнуть, что этот рисунок по смыслу (и, само собой, по предмету) существенно отличается от рис. 3.13: там невидимое глазом восстановлено по результатам (радио)наблюдений, здесь же изображено то, чего нельзя увидеть в принципе ни радио-, ни оптическим, ни рентгеновским телескопом (а то, что можно увидеть, – светлое вещество галактики, наоборот, показано лишь условно).

Организация темной материи определяется движением и гравитацией

Изменение наших взглядов на состав Вселенной оказалось вполне драматическим: основными элементами, из которых «собрана» наблюдаемая Вселенная, являются не видимые галактики – космические острова из гигантского числа протонов, нейтронов и электронов в виде звезд или газа, а именно гало темной и, по-видимому, бесструктурной материи, подчиняющейся только одному – гравитации. Когда мы говорим о предстоящем столкновении Млечного Пути и Андромеды, и не просто говорим, а пытаемся моделировать процесс этого столкновения, мы, конечно, принимаем в расчет темную материю, которая движется вместе с каждой из галактик. Еще правильнее постепенно привыкать высказываться так, чтобы сначала называть главное: это два скопления темной материи движутся навстречу друг другу, прихватив с собой немного видимого вещества; по этому последнему мы и определяем скорость любой галактики относительно нашей.

Существенная поддержка идеи о наличии темной материи пришла из нашего понимания эволюции Вселенной. Как и всё во Вселенной, галактики существовали не всегда, а собрались под действием притяжения – по сути, собственного притяжения: случавшиеся неоднородности в виде скоплений вещества притягивали к себе больше вещества, отчего притягивали сильнее и т. д. Увы – или, наоборот, не увы, – моделирование такого процесса не очень согласуется с наблюдаемой картиной: для собирания обычной, светлой материи в галактики просто недостаточно времени, прошедшего после Большого взрыва. Для того чтобы за отведенный срок галактики успели собраться примерно так, как это наблюдается, необходима «лишняя» материя в дополнение к той, которую мы тем или иным образом видим. Более того, чтобы «уложиться в график», эта дополнительная материя должна начать гравитационное «кучкование» еще до того, как видимую материю перестало распирать высокое давление (как удачно, что темную материю ничто не распирает!). Обычная материя затем «падает» в гравитационные ямы, уже подготовленные темной материей, – собирается к центрам притяжения, заодно дополнительно усиливая их притяжение.

Рис. 3.15. Гало темной материи в видении художника. Более ярким показано ожидаемое распределение темной материи, а в центре для масштаба условно изображена «светлая», видимая часть галактики

Без темной материи не успели бы сформироваться галактики

И это еще не все. Не только вещество (как мы только что выяснили: видимое и невидимое) не распределено во Вселенной равномерно, а собрано в галактики, но и галактики не распределены равномерно: скопления галактик собраны в «нити» длиной в несколько сотен миллионов световых лет. Их разделяют самые уединенные места во Вселенной – гигантские пустоты, где почти нет галактик. Нити (красивее звучит калька с английского «филаменты») – это факт наблюдательной астрономии^[55], но их образование неплохо моделируется в рамках имеющихся представлений о холодной темной материи. Наши идеи об организации Вселенной на самых больших масштабах представлены на рис. 3.16, и темная материя играет определяющую роль в формировании изображенной там структуры. Если все же окажется, что причина немалого числа явлений, указывающих на наличие темной материи, – не какая-то неизвестная материя, то я бы ожидал сопутствующую этому радикальную смену парадигмы (научную революцию, сравнимую с появлением специальной и общей теории относительности). Обычно такие изменения в фундаменте нашего понимания природы начинаются откуда-то «сбоку». Но в любом случае эта история погружения в глубину мира (вот уж буквально в невидимое) началась с наблюдения за движением.

Рис. 3.16. Крупно-масштабную структуру Вселенной определяют гигантские, составленные в первую очередь из темной материи нити, которые видны благодаря светлому веществу скапливающихся там галактик

Добавления к прогулке 3

Кеплер и вселенные. Сейчас мы знаем, что «четвертого закона Кеплера», который определял бы размеры орбит планет в Солнечной системе, не просто нет, но и быть не может. Но Кеплер встретился лицом к лицу с Солнечной системой в тот момент, когда не вполне ясны были сами правила игры: какие из наблюдаемых свойств мира непосредственно отражают первопринципы и потому подлежат угадыванию, а какие нет? Успехи человечества в поиске законов природы опираются среди прочего на способность людей видеть закономерности даже там, где их нет; иначе не найти те, которые есть. Кеплер пытался протянуть нить от математики к известному ему миру, начав с пяти правильных многогранников (рис. 3.17). Взятые в каком-то порядке и вписанные между шестью сферами, они задают относительные радиусы этих сфер по неоспоримым, неотменяемым математическим причинам (см. рис. 3.2). Не проявляют ли себя эти же причины – некоторая математическая гармония, находящая свое выражение в существовании Пяти платоновых тел, – в орбитах Шести планет?

Рис. 3.17. Платоновы тела – правильные многогранники в трехмерном пространстве. Их только пять (изображены в порядке, соответствующем вычерчиванию буквы М): куб, тетраэдр, додекаэдр, октаэдр и икосаэдр. Это неизменяемый факт. Во времена Кеплера планет было шесть, но то была лишь неполнота знания

В действительности конкретные расстояния от планет до Солнца и соотношения между этими расстояниями не определяются напрямую фундаментальными принципами, а устанавливаются под действием многих случайных факторов в ходе эволюции планетной системы. Со времен Кеплера довольно сильно сместилась граница между «проявлением фундаментальных первопринципов» и (в том или ином варианте) «игрой случайностей». Сейчас она проходит в нескольких местах, одним из которых стал вопрос, почему мировые константы – скорость света (см. главу «прогулка 5»), постоянная Планка (см. главу «прогулка 9»), гравитационная постоянная (см. главу «прогулка 1»), заряд электрона и другие – именно таковы, а массы элементарных частиц в точности такие, как наблюдаются (этот вопрос «слегка некорректен» в отношении размерных величин, вроде только что перечисленных, но никак уже нельзя придраться к постановке того же вопроса про их безразмерные комбинации). Существует ли математика – посложнее платоновых тел, но в некотором роде такая же, – которая могла бы их фиксировать? Или их значения – дело случая в том смысле, что они как-то распределены по очень большому числу разных вселенных, а мы просто возникли в одной из них? Напрашивается параллель с временами Кеплера: пока познание было заперто в пределах одной планетной системы, а действующие в ней механизмы причин и следствий были неясны, все ее отличительные черты можно было принимать за единственно возможные. Однако взгляд «наружу» (как и взгляд «вглубь», в причины и следствия) быстро показывает, что детали каждой из планетных систем достаточно случайны и не могут однозначно определяться фундаментальными законами природы. Но эта аналогия небезобидна, ведь мы заперты внутри одной-единственной вселенной, и способов выглянуть из нее наружу и познакомиться с другими вселенными не просматривается. Аргументы, вовлекающие другие вселенные, при всей своей способности будоражить воображение, опасно близки к традиционно понимаемым границам науки, которая имеет дело с тем, что воспроизводимо, и выводы которой должны допускать принципиальную возможность опровержения при столкновении с наблюдениями. За неимением взгляда «наружу» остается взгляд «вглубь», в теоретические построения по поводу самых фундаментальных механизмов, но состояние наших знаний на данный момент не позволяет прийти к сколько-нибудь однозначным выводам; интерпретации теоретических схем неизбежно смешиваются тут с некоторым философским выбором.

Орбиты-подковы. Механизм обмена количеством движения, который с завидным постоянством демонстрируют Янус и Эпиметей, должен был проявлять себя в молодой Солнечной системе, пусть и не с установившейся регулярностью, но в ситуациях иного масштаба и с намного более серьезными последствиями: большие планеты могли исходно сформироваться не на тех орбитах, которые они занимают сейчас, а потом мигрировать, обмениваясь количеством движения. Для небесных тел сравнимой массы изменения их орбит при этом взаимны; но если подобное происходит с двумя телами, одно из которых массивное, а другое – очень легкое, то вся «суета» выпадает на долю легкого.

Наша собственная планета, например, управляется своей гравитацией с несколькими астероидами, заставляя их менять орбиту. Происходящее иногда описывают словами «подковообразная орбита»; такая орбита показана на рис. 3.18. Хотя орбита такого астероида, очевидно, некеплерова, из рисунка ни в коем случае не следует заключать, что он летает вокруг Солнца «то вперед, то назад», реально описывая контур подковы. Всю картину надо рассматривать так же, как рис. 2.4: она вращается против часовой стрелки вокруг Солнца. Астероид догоняет Землю, находясь на орбите меньшего радиуса вокруг Солнца, и в точке A притяжение Земли делается существенным, из-за чего, как мы уже не раз обсуждали, астероид переходит (B) на более далекую от Солнца орбиту (C) и замедляется. При этом, конечно, он продолжает вращение вокруг Солнца и никогда не движется буквально в радиальном направлении A – C: радиальным это направление выглядит только с точки зрения астронома на Земле, в действительности же, пока астероид добирался из A в C, вся картинка повернулась как целое и астероид вместе с Землей пролетел заметный участок орбиты вокруг Солнца. Выбравшись на более далекую орбиту, астероид начинает отставать от Земли: оба продолжают, разумеется, вращаться вокруг Солнца, но астроном на Земле видит, что астероид удаляется от него, пройдя точку C и отставая все сильнее: его расстояние от Земли увеличивается, что с точки зрения астронома выглядит как возвратное движение по подкове. Это удаление от Земли происходит медленно, потому что оно определяется разностью двух скоростей, и оба тела успеют сделать немало оборотов вокруг Солнца (другими словами, успевает пройти много лет), пока астероид отстанет на почти полный оборот. Астроном на Земле (или, скорее, его внук) обнаружит астероид в точке D, начиная откуда события будут развиваться противоположно тому, как это описано в мемуарах деда: Земля, в действительности догоняя астероид, тянет его к себе, отчего тот переходит на более близкую к Солнцу и более быструю орбиту и, пройдя точку E, получает прибавку в скорости и начинает удаляться от Земли. Скорость удаления – это снова разность скоростей астероида и Земли. Обгоняя Землю в ее движении, астероид в конце концов обгонит ее почти на целый оборот, сменившиеся поколения астрономов обнаружат его в точке A относительно Земли, и история повторится.

Рис. 3.18. Подковообразная орбита астероида. Такой она выглядит для астронома с Земли, который решил считать себя неподвижным. Вычерчивание астероидом всей подковы может занять пару сотен лет. Параметры подковы показаны с огромным преувеличением по сравнению с расстоянием от Солнца до Земли: в действительности внутренний и внешний радиусы подковы различаются на несколько тысячных долей радиуса земной орбиты

Подкова описывает переходы между более внешней и более внутренней орбитами

Подобное движение может оказаться более сложным, если орбита астероида наклонена по отношению к плоскости орбиты Земли и/или если эллипс, по которому пытается лететь астероид, пока в дело не вмешивается Земля, более вытянут, чем (почти круговая) орбита Земли; движение определенно оказывается более сложным из-за притяжения Венеры, ведь значительную часть времени астероид находится далеко от Земли, предоставляя соседней планете все возможности влиять на себя настолько, насколько она дотянется своей гравитацией. В результате тела на подобных орбитах могут демонстрировать поведение, которое сочетает несколько элементов и в целом оказывается не очень устойчивым: пробыв на «подкове» какое-то время, астероид может перестать исполнять этот танец. Выявление же небесных тел, реально движущихся подобным образом, – непростая задача, не только наблюдательная, но и вычислительная: не желая ждать пару сотен лет, пока какое-то тело без спешки догонит (или не догонит) Землю на орбите, а потом начнет (или не начнет) отставать, мы просим компьютер узнать, как же будут развиваться события, предварительно сообщив ему (компьютеру) все подробности, которые нам самим известны о ключевых участниках событий. Но для успеха ньютоново-компьютерных предсказаний требуется не только учет притяжения Венеры или даже Марса и Юпитера, но и точные измерения дуги текущей траектории, по которой движется тот или иной астероид. Тел, движущихся по орбитам, близким к земной, известно около двух десятков. Например, астероид 2015 XX₁₆₉ (камень с поперечником едва ли в 20 метров) после своего максимального сближения с Землей в декабре 2015 г. в течение не менее одного года менял свою орбиту в сторону увеличения и собирается совершить обратный переход примерно через 130 лет – неспешная манера рисовать подкову. Заниматься этим он будет, скорее всего, еще несколько тысяч лет. Этот астероид, собственно говоря, «не может определиться» между двумя классами орбитального поведения близких к Земле тел, пересекающих орбиту Земли. Сейчас он переходит в класс тех, чьи орбиты имеют большую полуось, несколько превосходящую земную, но, наоборот, подходят ближе к Солнцу, чем Земля, в точке максимального приближения. Представителем этого класса было и тело, ставшее челябинским метеоритом 15 февраля 2013 г.

Пояс Койпера и мифология. Первый открытый транснептуновый объект, не считая Плутона и Харона, долгое время фигурировал под рабочим названием 1992 QB₁, которое присвоили ему первооткрыватели (энтузиаст исследования занептунщины Дэвид Джуитт и его аспирантка Джейн Лу, работавшие в Обсерватории Мауна-Кеа на Гавайях). Та часть имени, которая идет после года открытия, читается примерно как «кьюбиван»; нерезонансные транснептуновые объекты иногда называют «кьюбивано» (мн. ч.) – cubiwano, что несколько созвучно с Оби-Ваном (Кеноби). Большинство идентифицированных транснептуновых тел фигурируют под обозначениями типа 2002 TX₃₀₀, которые ближе к C3PO, чем к «настоящему» имени, но некоторые получают и полноценные имена, такие как Хаумеа. Для нерезонансных объектов из пояса Койпера по быстро установившейся традиции имена стали заимствоваться из мифологии коренных народов; например, Квавар (первоначально известный как 2002 LM₆₀) – это бог-творец мира у народа тонгва, исходно обитавшего в районе современного Лос-Анджелеса; Хаумеа происходит из гавайской мифологии, Макемаке – с острова Пасхи. Первый кьюбиван 1992 QB₁ получил также название Альбион по имени изначального (!) человека в мифологии Уильяма Блейка. Все время хочется проделать параллельный экскурс в этнографию. Это упражнение можно превратить в совсем сумасшедшее, если попробовать связать общим сюжетом богов самых разных народов – с довольно разными, наверное, характерами и историями деяний, – руководствуясь тем, что они летают где-то по соседству друг с другом. Троянцы и греки поблекнут.

Признания и литературные комментарии

Видимая материя во Вселенной, в противовес темной, называется барионной, что несколько неуклюже напоминает о том, что ее массу почти целиком составляют протоны и нейтроны. Написание фамилии Эйри, а не чуть более приближенное к английскому звучанию Эри отражает мое воспитание: «функция Эйри» Ai постоянно на слуху. Впрочем, редакторам русского перевода книги [19] точно такая же осведомленность о функции Ai не помешала проявить принципиальность, и у них везде [сэр Джордж] Эри. После системы звезды TRAPPIST-1 был найден еще один замечательный пример резонансных орбит: пять из шести планет TOI-178 движутся в резонансе 12: 9: 6: 4: 2 [86] (это, кстати, одно из дополнений, сделанных научным редактором Владимиром Сурдиным, который заодно решительно не одобряет моего «Эйри»). Взаимоотношения Януса и Эпиметея обсуждались в статье [104], а Талассы и Наяды – в [48]. Астероид 2015 XX₁₆₉, орбита которого близка к орбите Земли, описан вместе с двумя другими астероидами в [73]. Рисунок 3.15 взят с сайта https://medium.com/starts-with-a-bang/dark-matter-rises-to-its-biggest-challenge-6aa4991572f6, где он приведен со ссылкой на NASA, ESA, T. Brown and J. Tumlinson (STScI). Уникальный набор резонансов, установившихся среди планет TRAPPIST-1, положен на музыку, которую можно услышать здесь: https://youtu.be/WS5UxLHbUKc (а на сайте https://system-sounds.com можно найти музыкальные интерпретации и других частей Вселенной). Схема на рис. 3.4 позаимствована из [44]. Из той же работы взято замечание о массе и периоде обращения Вулкана, на которые мог бы указывать поворот перигелия Меркурия.

Наблюдательные данные о прецессии перигелия Меркурия, приведенные в [58], показывают, что полный эффект составляет 574,10′′ ± 0,65′′ (угловых секунд) в столетие. Из них 532,3035′′ и в самом деле удается объяснить влиянием других планет, 0,0286′′ – несферичностью Солнца и небольшие –0,0020′′, как известно сейчас, но не в XIX в., – эффектами специальной теории относительности. Не хватает упрямых 43 угловых секунд (42,9799′′). Они и описываются теоретическим выражением, которое нельзя вывести из ньютоновской теории (см., например, [4], где не только приведен вывод, но и обсуждаются разнообразные сопутствующие аспекты): за один оборот планеты ее эллипс поворачивается на

Здесь v – скорость планеты в точке максимального приближения к Солнцу, c – скорость света, а ε – эксцентриситет орбиты, равный для Меркурия 0,2056. Числовая дробь (третий множитель) поэтому равна 2,064. Скорость v составляет 58,98 км/с, так что отношение скоростей в квадрате дает не очень большое число 3,87 × 10^–8. Чтобы найти поворот орбиты за один земной год, надо еще умножить все выражение на 4,15 – отношение периодов обращения Земли и Меркурия. Когда Эйнштейн получил из теории в точности ту поправку, которой и не хватало, он, по его собственным словам, «несколько дней был вне себя от восторга».