83. Каркас, который не светит

В 1933 году Фриц Цвикки, тот самый, что годом позже вместе с Бааде придумает нейтронную звезду, взял в Калтехе восемь чисел. Это были скорости галактик в скоплении Волосы Вероники, которые Хаббл и Хьюмасон измерили по сдвигу их света. Галактики носились друг относительно друга примерно с тысячей километров в секунду: с такой скоростью от Земли до Луны долетаешь за шесть с небольшим минут, быстрее, чем закипает чайник. Цвикки посчитал, сколько массы нужно, чтобы удержать такую толпу. Выходило, что вещества в скоплении должно быть как минимум в четыреста раз больше, чем светится. Статью он написал по-немецки для швейцарского журнала и назвал невидимое dunkle Materie, тёмной материей.

Слово звучало и до него, но огромную недостачу в скоплении Цвикки увидел первым. В размере он ошибся. По тогдашней шкале расстояний галактики выходили в несколько раз ближе, чем на деле, и это раздуло счёт: с нынешней шкалой четыреста превращаются примерно в пятьдесят. Часть пропавшего нашлась потом в горячем газе между галактиками, таком же, какой гудит в Персее. Недостача сжалась, но не исчезла. Если скопление — айсберг, то всё, что видно в обычный телескоп, — горсть снега на его верхушке.

Мы прошли звёзды, галактики и скопления, стоя на полу, которого не замечали. По смыслу этот этаж лежит под галактиками, а не над скоплениями. Но выдал он себя сверху: первыми не сошлись весы у самых больших тел.

Внутри одной галактики недостачу измерили Вера Рубин и Кент Форд из Института Карнеги. Форд собрал прибор, который раскладывал свет в полоску цветов и усиливал его электроникой, и по сдвигу цветов они мерили, как быстро светящиеся облака газа обходят центр Андромеды. Нептун идёт вокруг Солнца медленнее Земли, потому что Солнце тянет его слабее, и от окраин галактики ждали того же. В статье 1970 года окраины Андромеды крутились почти так же быстро, как области на полпути к центру. Это как если бы Нептун бежал по орбите со скоростью Земли: удержать его смогло бы только Солнце, во много раз тяжелее настоящего.

Похожую кривую ещё в 1939 году получил Хорас Бэбкок, но объяснил её иначе. Окончательно всех убедили к концу семидесятых радиотелескопы, слышавшие холодный водород далеко за краем диска, и новые кривые Рубин с коллегами для многих галактик. Одну находку делали трижды, пока её не услышали.

Из чего сделано невидимое, не знает никто. Этот этаж растёт прямо из полей и частиц, минуя атомы: скорее всего, в мире есть ещё одна частица, которая не светит, не поглощает свет, почти ни с чем не сталкивается и умеет только тянуть. Если положить всё вещество Вселенной на весы шестью гирями, звёзды, газ, планеты и мы с тобой займут одну. Остальные пять займёт невидимое. Вокруг нас его при этом мало: во всём объёме Земли набирается около килограмма, пакет сахара. Главным его делает не густота, а размах.

Одна такая частица ничего не строит: она не может ни затормозить о соседку, ни остыть, отдав тепло светом. Но частиц много, и в ранней Вселенной, где одни места были чуть плотнее других, тяготение стало стягивать их в сгустки. Сгусток рушится внутрь, частицы проскакивают центр, разлетаются, падают снова, и орбиты перепутываются, пока облако не успокоится. Получается тело, которое держит себя само. Это и есть гало, невидимый ореол, в котором сидит каждая галактика. Сжатию в нём противостоит не жар, как в звезде, а беспорядочный разброс скоростей, та же «температура», что у звёзд в шаровом скоплении. У одной частицы нет ни температуры, ни края, ни формы, а у гало есть всё это, как у роя пчёл, который не разлетается и не сбивается в комок, хотя каждая пчела летит куда хочет.

У формы нашлась подробность, которой никто не заказывал. В 1996 году Хулио Наварро, Карлос Френк и Саймон Уайт вырастили в компьютере гало самых разных масс и увидели у всех почти одну и ту же форму: плотность спадает от центра к краю по одному правилу, различаются лишь размер и сжатость середины. У животных так не бывает: у слона ноги толще, чем у мыши, увеличенной до слона. Гало карликовой галактики и гало скопления — мышь, раздутая до слона почти без поправок. Частица этого правила не знает, его знает только успокоившееся целое. С настоящими карликами правило сходится хуже: в их центрах вещество часто лежит ровнее, и спорят, сгладили ли его взрывы звёзд или так устроена сама частица.

Тёмное вещество не умеет остывать, поэтому гало остаётся большим и круглым. Обычный газ, падая в него, сталкивается, светится, теряет энергию, оседает в середину, сплющивается в диск и загорается звёздами. Если диск Млечного Пути — тарелка, то его гало — невидимый шар размером с комнату, а тарелка висит в самой его середине. Весит шар в разы больше всех звёзд, а во сколько именно, спорят: свежие измерения дают меньше прежних. По расчётам, первые, совсем маленькие гало собрались ещё до первой звезды, и газ пришёл в них, как дождь к канавам, прорытым заранее.

Нагляднее всего невидимое показал снимок, который NASA выпустило в августе 2006 года. Два скопления, известные вместе как скопление Пуля, пролетели друг сквозь друга. Горячий газ, в котором сидит большая часть их атомов, столкнулся и застрял посередине. А массу взвесили по тому, как она гнёт свет далёких галактик за скоплением, и этот способ предложил ещё в 1937 году всё тот же Цвикки. Масса ушла вперёд вместе с галактиками. На картинке поверх снимка газ раскрашен розовым, масса синим, и пятна не совпадают. Главный вес оказался не там, где атомы, и группа Дугласа Клоу назвала свою статью «Прямое эмпирическое доказательство существования тёмной материи».

Саму частицу пока не поймали. Подземный детектор, бак жидкого ксенона в бывшей золотой шахте Южной Дакоты, ждал вспышки от толчка частицы по ядру и в декабре 2025 года объявил, что не дождался. Зато уверенно поймал другое: нейтрино из сердцевины Солнца, которые толкают ядра ксенона почти так же, как толкала бы искомая частица. Меньшинство физиков считает, что частицы нет вовсе, а при очень слабых ускорениях иначе ведёт себя само тяготение. Вращение галактик такая поправка объясняет хорошо, а скопления и Пулю плохо: поправленное тяготение должно следовать за веществом, а масса там ушла от газа. Спор не закрыт, но большинство ставит на частицу.

Отсюда лестница расходится на три ветви. В гало средней массы газ успевает остыть и собраться в звёзды, и это дорога к галактике. В самых тяжёлых газ так и остаётся раскалённым и заполняет гало целиком: скопление, как теперь видно, — самое большое гало со всем, что в него стекло. Третья ветвь — все гало вместе, от крошечных до гигантских, нанизанные на общую сетку. Каждое гало держит себя само, но вместе они ещё ничего не держат.