Астрономам приходится проявлять изобретательность, размышляя о том, сколько во Вселенной материи. Отдельную галактику нельзя поставить на промышленные весы (даже если бы была такая возможность, как считал Исаак Ньютон, для вычисления ее массы пришлось бы учитывать влияние земного притяжения). Есть классический способ определить количество материи в таком объекте как спутник планеты, планета или звезда. Надо измерить ее гравитационное взаимодействие с другими объектами. В этих ранних расчетах соединяли ньютоновский закон всемирного тяготения и законы движения планет Иоганна Кеплера. Речь идет о соотношении орбитальной скорости планеты и расстояния до этого другого объекта.
Когда астрономы начали применять эти расчеты к галактикам, измеряя орбитальную скорость их звезд, результаты у них оказались странные. Внешне кажется, что большая часть массы галактики находится ближе к центру, а поэтому сосредоточенные в центре звезды должны вращаться по орбите быстрее тех, что расположены по краям. (Для сравнения можно использовать наши планеты. У Меркурия самая высокая орбитальная скорость — 172 332 километра в час, а у Нептуна самая низкая — 19 548 километров в час. Но это из-за того, что 99,9 процента массы нашей Солнечной системы сосредоточено в Солнце).
В 1970-х годах астроном Вера Рубин (Vera Rubin) и ее коллега Кент Форд (Kent Ford) вели наблюдения за галактикой Андромеды — самой близкой к нам крупной галактикой. Они сделали вывод, что приведенное выше предположение не соответствует реальному положению вещей. Звезды по краям этой галактики перемещались почти с такой же скоростью, что и в центре. Внешние звезды вращались по орбите настолько быстро, что их движение должно было по идее разорвать галактику на части. Рубин на основании своих наблюдений сделала предположение о том, что там есть масса, которую мы не видим (темная материя), и что она распределена по краям, чем и объясняется такое движение звезд. Невидимая материя создавала определенные трудности для измерения массы галактик.
Сейчас астрономам необходимо доработать свои методы, чтобы решить проблему с темной материей, которая, как известно, существует в галактиках. Делая прошлой весной презентацию на конференции Американского астрономического общества, аспирант Аризонского университета Экта Пейтел (Ekta Patel) представила методику, которая может существенно повысить точность расчетов массы. Цель ее команды состояла в том, чтобы решить проблемы с вычислением массы темной материи, а также выполнить уникальную задачу — измерить массу Млечного Пути. В отличие от измерения, скажем, галактики Андромеды, которую мы видим почти целиком и очень детально через мощные телескопы, в измерении нашей собственной Галактики мы практически бессильны, находясь на одном из ее спиральных рукавов. «Представьте себе, как можно провести перепись населения США без интернета, и не покидая свой собственный город», — говорит Пейтел. Или каково это — рассмотреть родинку на спине, не имея зеркала. Мы просто не разглядим ее как следует.
Вместо того, чтобы размечать звезды Млечного Пути на разных расстояниях (эти данные трудно собрать, заглядывая за галактическое ядро), Пейтел с коллегами изучает вращательный момент галактик-спутников Млечного Пути, которые связаны с нашей силой гравитации (таких маленьких и известных нам на сегодня галактик около 50). Пейтел называет их «трассирующими объектами», потому что в своем движении они следуют за распределением массы в своей материнской галактике. Но их движение по небу умопомрачительно медленное. «Эти перемещения настолько малы, что это подобно измерению роста волос у человека с расстояния как до Луны», — говорит Пейтел. Осуществлять такие измерения сегодня можно только благодаря космическим телескопам, потому что разрешающая способность наземных измерительных приборов для такой работы недостаточна. А космические телескопы находятся на орбите достаточно долго, чтобы увидеть перемещение таких трассирующих объектов на поддающееся измерению расстояние.
Космический телескоп «Хаббл» является на сегодня лучшей обсерваторией для сбора таких данных. Ученые, такие как Пейтел, пользуются результатами работы профильного коллектива, работающего в Институте космической телескопии в Балтиморе, штат Мэриленд. Этот институт занимается эксплуатацией «Хаббла», и его сотрудники измеряют даже невообразимо малые перемещения галактик-спутников на небе.
Вначале коллектив Пейтел изучал перемещения девяти трассирующих объектов, чтобы рассчитать массу Млечного Пути, но сейчас ученые намерены усовершенствовать свои расчеты, включив в них данные наблюдений европейского телескопа «Гайя». Этот телескоп работает чуть больше четырех лет, и недавно был опубликован второй его набор данных. Этого достаточно, чтобы начать измерение перемещений, и теперь Пейтел может увеличить количество изучаемых трассирующих объектов Млечного Пути примерно до 30. «К концу полета «Гайя», а это еще четыре или пять лет и несколько дополнительных наборов данных, собираемые им данные будут такими же точными, как у «Хаббла»», — говорит Пейтел. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» также внесет существенный вклад в эти наблюдения, когда в начале 2020-х годов начнет свою работу в космосе.
Команда Пейтел затем использует космологические модели формирования похожих на Млечный Путь материнских галактик и их галактик-спутников. Эти модели дают статистическую информацию о том, каков будет эволюционный путь наблюдаемых ими галактик. Используя эту новую методику, Пейтел с коллегами сузила предыдущие оценки массы Млечного Пути со значения 700 миллиардов — два триллиона солнечных масс до 0,96 триллиона солнечных масс.
В силу того, что разброс значений по массе прежде был очень велик, на основе расчетов по массе было невозможно дать точные ответы. Сколько темной материи у Млечного Пути? Как развивалась эта галактика, как формировался ее нынешний облик? «Незнание значения массы мешало нам провести дополнительные связи между разными физическими вопросами о том, как эволюционируют галактики типа нашего Млечного Пути», — говорит Пейтел. Дело в том, что у любой задачи есть разные решения. Она также признает, что в ее выводе есть определенная погрешность. Поэтому ученые продолжат уточнять значение массы, наблюдая за трассирующими объектами.
