Рубин потом вспоминала: «Когда я училась в школе, мне твердили, что мне нигде не добиться места астронома и что я должна заняться чем-нибудь другим. Но я никого не слушала. Если тебе и вправду чего-то хочется, надо брать и делать и, наверное, иметь смелость что-нибудь изменить в этой области»86.
Получив в Вассар-колледже, где когда-то преподавала Митчелл, степень бакалавра астрономии, а в Корнелльском университете - магистра астрономии, Рубин вернулась в родной город, чтобы продолжить изучать астрономию в Университете Джорджтауна. Научным руководителем ее диссертации на степень доктора философии стал Георгий Гамов. Он хоть и не числился среди преподавателей университета, но тоже интересовался эволюцией галактик, и ему разрешили работать с Рубин. Под его началом она и защитилась в 1954 г.
В заботах о четырех детях, рожденных в браке с математиком Робертом Рубином, ей было непросто найти постоянную работу, которая позволила бы совмещать семью и науку. В конце концов, в 1965 г. Отделение земного магнетизма Института Карнеги в Вашингтоне включило ее в состав научных сотрудников. Там Рубин вступила в творческий союз со своим коллегой Кентом Фордом. У того был построенный собственными руками телескоп, и они вместе занялись активными наблюдениями внешних областей галактик.
В первую очередь астрономы направили телескопическую трубу на ближайшую спиральную соседку Млечного Пути, галактику в созвездии Андромеды. С помощью спектрографа они стали собирать данные о доплеровском смещении в спектрах звезд, находящихся на галактической периферии. Доплеровское смещение - это увеличение (уменьшение) частоты излучения от объекта, движущегося к наблюдателю (от наблюдателя). Величина этого смещения зависит от относительной скорости тела. Эффект Доплера свойственен любому волновому процессу, в том числе свету и звуку. Например, всякий раз, когда мы слышим, как пожарная сирена, приближаясь, завывает все выше, а удаляясь, понижает тон, мы имеем дело с этим эффектом. Если говорить о свете, то с приближением источника его излучение сдвигается в фиолетовую область спектра (фиолетовое смещение), а с удалением - в красную (красное смещение). Красные смещения галактик послужили Хабблу доказательством того, что далекие галактики разлетаются от нас. Эффект Доплера в электромагнитных спектрах до сих пор является одним из незаменимых инструментов астрономии.
Сняв спектры звезд во внешних частях Андромеды и измерив величину смещения, Рубин и Форд смогли посчитать скорость звездного вещества. Они определили, насколько быстро звезды на галактической окраине движутся вокруг центра притяжения. Затем ученые из Института Карнеги построили график: по вертикали отложили орбитальные скорости, а по горизонтали - расстояние от центра. Эта зависимость, называемая кривой вращения галактики, наглядно показывала, как на карусели Андромеды кружатся самые крайние ее части.
Как установил Кеплер еще несколько столетий назад, в астрономических объектах, в которых основная часть массы сосредоточена в центре (пример - Солнечная система), чем дальше тело от середины, тем меньше его скорость. Внешние планеты движутся по своим орбитам гораздо медленнее, чем внутренние. Меркурий мелькает около Солнца со скоростью около 50 км/с, в то время как Нептун еле-еле ползет - примерно 5,5 км/с. Причина проста: солнечное притяжение быстро убывает с радиусом, а масса, которая бы могла повлиять на скорости планет, во внешних частях Солнечной системы отсутствует.
Раньше думали, что в спиральных галактиках, наподобие Млечного Пути, вещество распределено так же компактно. В наблюдениях видно: плотнее всего звезды населяют центральную часть галактик и образуют шаровидную структуру (астрономы говорят «балдж»). Спиральные рукава и ореол, окутывающий галактический диск, наоборот, выглядят разреженными и эфемерными. Но первое впечатление обманчиво.
Строя кривую вращения Андромеды, Рубин и Форд твердо были уверены, что, как в Солнечной системе, на больших расстояниях скорости будут падать. Но вместо этого график выходил на прямую линию, чем ученые были изрядно озадачены. На месте горного склона оказалось ровное плато. Плоская форма профиля скорости означала, что на самом деле масса простирается далеко за пределы наблюдаемой структуры. Нечто скрытое от наших глаз оказывает ощутимое воздействие на те области, где гравитация, по нашим представлениям, должна быть исчезающе малой.
Чтобы понять, является ли такое поведение скоростей в Андромеде исключением или правилом, Рубин и Форд совместно со своими коллегами из Института Карнеги Норбертом Тоннардом и Дэвидом Берстайном решили проверить еще 60 спиральных галактик. Хотя спиральные не единственный тип галактик - есть эллиптические, есть галактики неправильной формы, - астрономы выбрали «вихрь» за его простоту. В отличие от других типов галактик, в спиральных звезды в рукавах все вращаются в одном направлении. Поэтому их скорости легче отложить на графике, а значит, легче проанализировать.
Группа ученых выполнила наблюдения на обсерваториях Китт-Пик в Аризоне и Серро-Тололо в Чили и построила кривые вращения для всех 60 галактик. На удивление, на каждом графике был такой же плоский участок, как у Андромеды. Отсюда Рубин и ее соавторы сделали вывод, что основная часть вещества в спиральных галактиках собрана в протяженные невидимые образования, которые, если не считать гравитационного поля, никак себя не проявляют. Проблема, мучавшая Оорта и Цвикки, встала во весь рост!
Кто скрывается за маской? Может быть, темная материя состоит из обычного вещества, но его плохо видно? Может, наши телескопы всего-навсего слишком слабы, чтобы разглядеть все объекты в космосе?
Одно время на роль темной материи предлагались небесные тела, в чьем названии отразилась приписываемая им гравитационная мощь: мачо-объекты (МАСНО, акроним от англ. Massive Compact Halo Objects - «массивные компактные объекты гало»). Это массивные небесные тела в гало[26] галактик, излучающие мало света. К ним, в частности, относятся планеты-гиганты (размером с Юпитер и больше), коричневые карлики (звезды с весьма непродолжительной стадией термоядерного горения), красные карлики (слабосветящиеся звезды), нейтронные звезды (звездные ядра, пережившие катастрофическое сжатие (коллапс) и состоящие из нуклонной материи) и черные дыры. Все они состоят из барионного вещества, к которому относится вещество атомных ядер и его ближайшие родственники, например водородный газ.
Для охоты за мачо-объектами и другими тусклыми источниками гравитационного притяжения астрономы разработали искусный метод под названием гравитационное микролинзирование. Гравитационная линза - это массивное тело, которое, подобно призме, отклоняет свет. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, тяжелые тела прогибают вокруг себя пространство-время, из-за чего траектория проходящего мимо луча искривляется. В 1919 г. эффект линзирования наблюдался во время солнечного затмения: в этот момент удается рассмотреть звезды вблизи диска Солнца, которое и отклоняет их свет.
Поскольку мачо-объекты, проходящие между Землей и далекими звездами, должны искажать изображение, микролинзирование дает способ их «взвесить». Если мачо-объект вдруг окажется на луче зрения в направлении наблюдаемой звезды (например, одной из звезд близкой галактики), она благодаря гравитационной фокусировке на миг станет ярче. А когда «мачо» пройдет мимо, звезда потускнеет и примет прежний вид. По этой кривой блеска астрономы могут вычислить массу объекта.
В 90-х гг. в рамках проекта МАСНО международная группа астрономов из обсерватории на горе Стромло в Австралии составила каталог, в который вошли около 15 «подозрительных» событий. Участок за участком просматривая гало Галактики и используя в качестве звездного фона Большое Магелланово Облако (спутник Млечного Пути), ученые натолкнулись на характерные кривые блеска. По этим наблюдательным данным астрономы оценили: около 20% всей материи в галактическом гало составляют мачо-объекты с массой от 15 до 90% массы Солнца. Эти результаты свидетельствовали о том, что окраину Млечного Пути населяют тусклые и сравнительно легкие звезды, которые хоть почти и не светят, но создают силу притяжения. То есть частично прояснилось, какие небесные тела водятся на периферии Галактики, но чем объяснить оставшуюся долю скрытой массы по-прежнему было непонятно.
Есть и другие причины полагать, почему мачо-объекты не могут дать окончательный ответ на загадку темной материи. В астрофизических моделях нуклеосинтеза (образования химических элементов), зная, в каком количестве сегодня присутствует тот или иной элемент в космосе, можно рассчитать, сколько протонов содержала Вселенная в первые моменты после Большого взрыва. А это дает возможность оценить долю барионного вещества во Вселенной. К сожалению, расчеты показывают, что только часть темной материи имеет барионную природу, остальное находится в какой-то другой форме. Поскольку мачо-объекты, состоящие из знакомых нам барионов, не подошли на роль панацеи, ученые обратили свой взор на других кандидатов.
