Глава 10. Как росли галактики

Ночь 110. Урок с каплями воды

День 110 по часам станции был субботой. Выходные на орбите не совсем свободны, потому что некоторые работы никогда не прекращаются, но они легче. Утром экипаж вместе убирал станцию. Протирали поверхности, меняли воздушные фильтры и пылесосили решётки, где скапливаются пыль, крошки и мелкие потерянные вещи, которые приносит туда движущийся воздух. Аде нашёл винт, который кто-то потерял несколько недель назад, и Томас объявил его находкой дня.

Выходные приносят и немного собственного времени. Томас провёл час со своей музыкой, тихо играя для себя в наушниках. Аде читал книгу на планшете, зацепившись ступнями за поручень. У каждого из них на вечер был запланирован личный разговор с семьёй. Космическая станция — место работы, но в субботу она на несколько часов становится чем-то более похожим на дом.

Днём у Нур была задача, которую она давно ждала. Земля попросила её снять короткий урок для школ. Дети прислали вопросы о жизни на станции, и некоторые из них касались воды. Что происходит с водой, когда её ничто не тянет вниз? Льётся ли она? Брызгается ли? Падает ли?

Нур установила камеру в тихом уголке и выдавила немного воды из пакета для питья. Вода не полилась. Она вышла дрожащим комочком, а потом медленно стянулась в почти идеальный шар, плавающий в воздухе перед ней. Она осторожно коснулась его трубочкой, шар весь задрожал и снова стал круглым. Она добавила вторую, меньшую каплю, и когда они соприкоснулись, то сразу слились в один шар побольше.

Она объяснила на камеру, что вода притягивает сама себя. У поверхности вода всё время тянет внутрь, немного похоже на натянутую плёнку. На Земле тяготение сильнее этого притяжения, поэтому вода растекается лужей или бежит под уклон. На станции, в невесомости, побеждает собственное притяжение воды, а форма, которая вмещает больше всего воды при наименьшей поверхности, — это шар. В конце она аккуратно собрала капли полотенцем, потому что свободно плавающая вода рядом с электрическим оборудованием — настоящая опасность.

Вечером она отправила Сами короткий отрывок фильма. Он ответил, что его дочь, которой семь лет, посмотрела его три раза и теперь хочет стать астронавтом или, возможно, каплей воды. Потом он спросил о том, о чём думал с самого урока. Если маленькие капли сливаются в большие, может быть, так образовались и галактики? Нур задумалась. В каком-то смысле да, написала она. Но сила, которая сводит галактики вместе, — не притяжение поверхности воды. Это тяготение. И часть его исходит от того, чего никто не может увидеть.

От ряби к паутине

В прошлую ночь мы видели, как в темноте зажглись первые звёзды. Они образовались в сгустках газа, там, где молодая Вселенная была чуть плотнее средней. История этой ночи — о том, что было дальше: как эти первые небольшие сгустки росли, соединялись и становились галактиками, которые наполняют Вселенную сегодня, включая Млечный Путь, нашу собственную галактику.

История начинается с той крошечной ряби, которую мы видели в самом древнем свете, — различий примерно в одну стотысячную. Тяготение превратило эти небольшие различия в большие. Место, которое немного плотнее, притягивает немного сильнее, собирает больше вещества и становится ещё плотнее. За сотни миллионов, а затем миллиарды лет рябь выросла в сгустки, а сгустки — в более крупные структуры.

Есть причина, по которой именно тяготение из всех сил природы смогло выполнить эту работу. В повседневной жизни тяготение очень слабо. Маленький магнит может поднять скрепку вопреки притяжению всей Земли. Но у тяготения есть одно особое свойство: оно только притягивает и никогда не отталкивает, и оно складывается. Электрические заряды бывают двух видов, положительные и отрицательные, и в больших количествах вещества они в основном уравновешивают друг друга. Тяготение никогда не уравновешивается. На огромных расстояниях и за долгое время жизни Вселенной оно становится силой, которая придаёт форму всему.

Когда астрономы составляют карту того, где сегодня находятся галактики, они видят замечательный узор. Галактики разбросаны не равномерно, как сахар, просыпанный на стол. Они выстроены в длинные нити и тонкие стены, а между ними — огромные, почти пустые области. Там, где нити сходятся, находятся тесные группы и скопления галактик, в некоторых из которых сотни или тысячи галактик. Астрономы называют этот узор космической паутиной.

Если вы когда-нибудь видели паутину, покрытую утренней росой, или пену на чашке кофе, когда пузырьки прижались друг к другу, вы видели нечто похожее на вид: тонкие края и узлы с открытыми промежутками между ними. Космическая паутина, конечно, неизмеримо больше. Одна-единственная пустая область в ней может иметь поперечник в сотни миллионов световых лет. Но мысль та же. Вещество собралось вдоль линий и в местах их встречи и ушло из промежутков между ними.

Компьютерные модели Вселенной, которые начинают с ряби, измеренной в самом древнем свете, а затем прослеживают действие тяготения вперёд на миллиарды лет, дают паутину, очень похожую на настоящую. Это согласие — одна из причин, по которым астрономы считают, что понимают общую историю роста структуры Вселенной. Но модели хорошо работают только тогда, когда в них есть один очень важный ингредиент — то, чего никто никогда не видел напрямую.

Люди, которые заметили, что чего-то не хватает

Первая улика появилась в 1933 году благодаря астроному по имени Фриц Цвикки. Он изучал большое скопление галактик в созвездии Волосы Вероники. Он измерил, как быстро движутся галактики в скоплении. Галактики в скоплении движутся друг вокруг друга, удерживаемые общим тяготением, как люди, которые ходят по переполненной комнате и никогда её не покидают. Чем быстрее они движутся, тем больше тяготения нужно, чтобы удержать их вместе.

Цвикки обнаружил, что галактики движутся слишком быстро. Если бы в скоплении было только то вещество, которое астрономы могли видеть в виде сияющих звёзд, оно давно бы разлетелось. А оно было на месте. Что-то должно было добавлять очень много лишнего тяготения. Цвикки писал о «тёмной материи» — веществе, которое не светится, но притягивает. Многих астрономов того времени это не убедило. Измерения были трудными, и возможно, что-то упустили. Мысль ждала своего часа.

Десятилетия спустя, в 1970-е годы, астроном Вера Рубин изучала, как движутся звёзды и газ внутри спиральных галактик. Спиральная галактика медленно вращается, как огромное колесо. Можно было бы ожидать, что она вращается, как наша солнечная система, где далёкие от Солнца планеты движутся медленнее близких, потому что вдали притяжение Солнца слабее. Бо́льшая часть света галактики исходит от её яркого центра, поэтому астрономы ожидали, что внешние звёзды тоже движутся медленно.

Рубин обнаружила другое. Галактика за галактикой — звёзды и газ далеко на краях двигались так же быстро, как и те, что ближе к центру. Они двигались так быстро, что их должно было бы отбросить прочь, если только в галактике не было гораздо больше вещества, чем видно, распределённого далеко за пределами ярких звёзд. Рубин была тщательна и терпелива, и с её измерениями было трудно спорить. Вместе с работами других они убедили большинство астрономов, что тёмная материя реальна. Это хороший пример того, как упорная, тщательная работа меняет убеждения целой области науки.

С тех пор добавились и другие свидетельства. Масса искривляет путь света, проходящего рядом с ней, и астрономы видят далёкие галактики, свет которых искривлён и искажён скоплениями, лежащими перед ними. Величина искривления показывает, сколько там массы, и снова её гораздо больше, чем видимого вещества. Узоры в самом древнем свете тоже можно объяснить, только если тёмной материи много. Сегодня астрономы оценивают, что тёмной материи во Вселенной примерно в пять раз больше, чем обычного вещества.

Что мы знаем и чего не знаем

Так что же такое тёмная материя? Честный ответ: никто не знает. Мы знаем, что у неё есть тяготение, потому что мы видим её притяжение. Мы знаем, что она не светится, не отражает свет и не заслоняет его, иначе мы бы её видели. Мы знаем, что она, по-видимому, не сталкивается с обычным веществом никаким образом, который мы смогли бы заметить. Помимо этого, её природа — один из самых больших вопросов науки, на которые нет ответа.

Если тёмная материя состоит из частиц, как думают многие учёные, то эти частицы, вероятно, есть не только далеко, в других галактиках. Они, возможно, повсюду вокруг нас, здесь, в Млечном Пути, тихо проходят сквозь Землю, сквозь станцию и сквозь вашу комнату, пока вы читаете, ничего не задевая. Это не наверняка, потому что мы не знаем, что такое тёмная материя. Но мысль странная и тихая: самый распространённый вид вещества во Вселенной, возможно, проходит сквозь вас прямо сейчас, и вы никогда этого не почувствуете.

Кое-что в основном уже исключено. Может быть, тёмная материя — это просто обычное вещество, которое трудно увидеть, например холодный газ, пыль, тусклые звёзды, погасшие звёзды или чёрные дыры? Астрономы искали такие объекты и некоторые находят, но далеко не в достаточном количестве. Есть и более глубокая причина. Первые несколько минут, с которыми мы познакомились в одну из прошлых ночей, задали общее количество обычного вещества во Вселенной, а самый древний свет подтверждает это количество. Его слишком мало, чтобы объяснить всё лишнее тяготение. Поэтому бо́льшая часть тёмной материи должна быть чем-то отличным от атомов, из которых состоят звёзды, планеты и люди.

Многие учёные думают, что тёмная материя — это вид частиц, который ещё не открыт. Во многих странах учёные построили очень чувствительные детекторы, часто глубоко под землёй, где те защищены от других частиц, чтобы попытаться поймать частицу тёмной материи, столкнувшуюся с обычным веществом. Другие ищут признаки тёмной материи на ускорителях частиц или на небе. Пока ни один из этих поисков её не нашёл. Это не значит, что её нет. Это значит, что её труднее поймать, чем надеялись, или что она не такая, как ожидали.

Небольшое число учёных попробовало другую идею: может быть, никакого лишнего вещества нет вовсе, а тяготение на очень больших расстояниях ведёт себя иначе, чем говорят наши теории. Эта идея добилась некоторых успехов в объяснении того, как вращаются галактики. Но ей очень трудно одновременно объяснить скопления галактик, искривление света и узоры самого древнего света, которые тёмная материя объясняет вместе. Пока большинство астрономов считают тёмную материю лучшим объяснением. Но вопрос остаётся открытым, и именно так и должно быть, пока его не решат свидетельства.

Чем бы она ни оказалась, тёмная материя сыграла ключевую роль в росте галактик. Обычное вещество в молодой Вселенной толкал туда-сюда свет, и оно не могло легко собираться в сгустки, пока не высвободился самый древний свет. Тёмная материя свет вообще не ощущает. Поэтому она могла начать собираться в сгустки раньше. Когда обычный газ наконец освободился, он упал в сгустки тёмной материи, которые уже ждали его. Без этой форы галактикам понадобилось бы гораздо больше времени, чтобы образоваться, и сегодняшняя Вселенная могла бы выглядеть совсем иначе.

Галактики, которые сливаются

Первые галактики были маленькими. Как мы видели в прошлую ночь, телескоп «Уэбб» видит галактики, существовавшие через несколько сотен миллионов лет после начала, и они гораздо меньше Млечного Пути. Как большие галактики вроде нашей выросли из таких маленьких начал? Отчасти втягивая свежий газ из космической паутины, а отчасти сливаясь друг с другом, как капли воды у Нур, только гораздо медленнее и гораздо менее мягко.

Когда две галактики сближаются, тяготение тянет их друг к другу. Они обходят друг вокруг друга, иногда по нескольку раз за сотни миллионов лет, и из них вытягиваются длинные потоки звёзд и газа. В конце концов они часто складываются в одну большую галактику. Астрономы сфотографировали множество пар галактик на разных стадиях этой медленной встречи. Каждый снимок — как один кадр из фильма, который идёт гораздо дольше человеческой жизни.

Наша собственная галактика — результат миллиардов лет такого роста. Сегодня Млечный Путь — большая спиральная галактика поперечником около 100 тысяч световых лет, с сотнями миллиардов звёзд, одна из которых — Солнце. Со станции, на тёмном витке, Нур могла видеть его полосу через всё небо. То, что она видела, было видом изнутри на огромный плоский диск звёзд, увиденный с ребра из какой-то точки внутри него.

Млечный Путь рос отчасти именно так. Астрономы, изучающие движения звёзд в нашей галактике, нашли группы звёзд, которые движутся вместе необычным образом, и считают, что это остатки меньших галактик, которые Млечный Путь поглотил давным-давно. Некоторые из самых старых звёзд нашей галактики образовались больше 13 миллиардов лет назад, так что Млечный Путь растёт почти всю историю Вселенной. Даже сегодня он медленно втягивает в себя несколько маленьких соседних галактик.

И Млечному Пути предстоит большая встреча. В одну из прошлых ночей мы видели, что галактика Андромеды, находящаяся примерно в 2,5 миллиона световых лет, — одна из немногих галактик, движущихся к нам. Ожидается, что примерно через 4–5 миллиардов лет Млечный Путь и галактика Андромеды очень сблизятся, а за долгое время, возможно, сольются в одну большую галактику. Их точные пути ещё измеряются, поэтому астрономы пока не уверены, когда произойдёт слияние и произойдёт ли оно вообще. Если это случится, ночное небо любой планеты, которая тогда ещё будет существовать, станет совсем другим — полным новых потоков и облаков звёзд.

Это может прозвучать тревожно, но беспокоиться не о чем, по двум причинам. Первая — огромное время, о котором идёт речь, во много раз дольше человеческой истории. Вторая — галактики в основном состоят из пустого пространства. Расстояния между звёздами так велики по сравнению с самими звёздами, что при слиянии двух галактик звёзды почти никогда не сталкиваются. Они проходят мимо на огромных расстояниях, а газовые облака двух галактик встречаются и могут дать начало множеству новых звёзд.

Сообщение для Сами

Перед сном Нур ещё раз посмотрела короткий фильм о каплях воды, а потом отправила готовый урок на Землю. Она думала о детях, которые будут смотреть его в классах, и о дочери Сами, которая хотела стать каплей воды. Думала она и о длинных нитях космической паутины, с галактиками, собранными вдоль них, как капли на паутинке.

Она написала Сами: «Скажи дочке, что галактики тоже сливаются, как капли, только очень медленно. Наша галактика поглотила несколько меньших. А бо́льшая часть того, что удерживает галактики вместе, — нечто невидимое, что пока никто не опознал. Может быть, именно она узнает, что это такое». Сами ответил, что дочь уже уснула, но утром он ей расскажет и уверен, что она спросит, что значит «опознал».

Возможно, в конце вашей недели у вас тоже бывает день полегче, с домашними делами утром и чем-нибудь приятным после обеда. В такой день, наливая стакан воды или глядя, как дождь собирается в капли на окне, вы можете вспомнить о долгом, медленном собирании Вселенной. Малое соединяется в большее. Часть того, что удерживает всё вместе, легко увидеть. А часть, как и многое хорошее, что удерживает вместе людей, увидеть нельзя вовсе.

Распространённые заблуждения

Многие думают, что тёмная материя — это просто обычное вещество, слишком тёмное, чтобы его увидеть, например пыль, тёмные облака или погасшие звёзды. Астрономы тщательно искали такие вещи. Они существуют, но их далеко не достаточно. И первые минуты Вселенной, и самый древний свет показывают, что общего количества обычного вещества слишком мало, чтобы объяснить лишнее тяготение. Поэтому бо́льшая часть тёмной материи должна быть чем-то иным, вероятно, чем-то, что вообще не состоит из атомов.

Многие также предполагают, что учёные знают, что такое тёмная материя, и просто называют её загадочным именем. Они не знают. Они знают, сколько её, примерно где она находится и как она притягивает. Но из чего она состоит, не выяснено, несмотря на долгие годы тщательных поисков. Слово «тёмная» в её названии — честное признание. Оно означает, что мы видим её действие, но не видим её саму и пока её не понимаем.

Наконец, многие представляют себе, что при столкновении двух галактик их звёзды врезаются друг в друга в огромных взрывах. На самом деле звёзды почти никогда не сталкиваются, даже когда сливаются целые галактики, потому что пространство между звёздами огромно. Если бы Солнце было размером с песчинку, ближайшая другая звезда была бы другой песчинкой больше чем в десяти километрах от неё. Настоящая встреча происходит между газовыми облаками, которые могут сжиматься и образовывать новые звёзды, а эти новые звёзды, в свою очередь, создают новые элементы. В следующую ночь мы заглянем внутрь звёзд и посмотрим, как они создали элементы нашего собственного тела.