более высокий звук (с более короткой длиной волны), а после того, как машина промчится мимо и начнет удаляться, тон воспринимаемого нами звука сменяется на более низкий (с большей длиной волны). Воспринимаемое нами изменение длины волны пропорционально скорости, с которой машина приближается к нам или удаляется от нас. Аналогичным образом ведут себя и волны света: если источник движется к нам, то его излучение воспринимается как более коротковолновое (то есть более «голубое»), а удаляющийся от нас источник света выглядит слегка краснее.

К началу 30-х годов XX века астрономы измерили красные смещения нескольких десятков галактик. К их удивлению, значения красного смещения – и соответствующие скорости удаления – оказались больше для более далеких галактик. Этот замечательный факт навел Хаббла и Леметра на мысль, что причина увеличения космических расстояний не в том, что галактики разбегаются от нас, а в расширении самого пространства, увлекающего вкрапленные в него галактики.

Хотя сама мысль о расширяющейся Вселенной Цвикки вначале крайне не нравилась, он потратил много времени на изучение красных смещений галактик. В скоплениях галактик (огромных сборищах из многих сотен галактик, расположенных в одной области пространства) все их члены удаляются от нас – расстояние до скопления увеличивается вследствие расширения Вселенной. Но галактики в скоплении еще и движутся относительно друг друга подобно пчелам в рое. Поэтому скорости их удаления немного различаются. Некоторые движутся к нам – скорости их удаления (и, следовательно, их красные смещения) чуть меньше скорости удаления (и, соответственно, красного смещения) всего скопления в целом. Другие члены движутся в противоположном направлении, и поэтому скорости их удаления от нас (и, соответственно, красные смещения) оказываются слегка больше средних значений для всего скопления. Наблюдаемый разброс красных смещений галактик дает представление о движениях галактик внутри скопления, и ему соответствует определенный разброс скоростей. И в этом случае такие движения также определяются тяготением скопления как целого подобно тому, как движения звезд в нашей собственной Галактике определяются ее массой.

Скопление галактик Волосы Вероники, где Фриц Цвикки нашел свидетельства существования темной материи

На основе анализа данных, полученных другими астрономами на 100-дюймовом телескопе обсерватории Маунт-Вилсон, Цвикки оценил количество галактик в скоплении в созвездии Волосы Вероники. Исходя из предположения, что масса каждой галактики составляет миллиард солнечных масс, он вычислил, что суммарная масса видимого вещества в скоплении Волосы Вероники должна составлять около 1,6 × 1045 граммов. В этом случае, учитывая размер скопления, разброс скоростей должен был составлять около 80 км/с.

Но разброс скоростей восьми достаточно ярких галактик скопления, чтобы можно было определить их красные смещения, оказался гораздо больше – около 2500 км/с. Это намного больше оценки «скорости убегания» из скопления. Другими словами, сила притяжения 1,6 × 1045 граммов вещества скопления недостаточна для удержания объектов, несущихся с такими скоростями. Чтобы галактики не разлетелись, суммарная масса скопления должна быть больше. Намного больше.

Цвикки написал по этому поводу: «Чтобы обеспечить [наблюдаемый разброс скоростей], средняя плотность в системе Волосы Вероники должна быть как минимум в 400 раз выше оценки, полученной на основе наблюдения видимого вещества». «Если это подтвердится, то отсюда следует неожиданный вывод – плотность темной материи [в оригинальном немецком тексте – dunkle Materie] намного превышает плотность видимой материи». Цвикки опубликовал свое элегантное и пугающее исследование в швейцарском журнале Helvetica Physica Acta10. Название статьи можно перевести как «Красные смещения внегалактических туманностей» без намека на содержащееся в нем неожиданное открытие.

Поистине неожиданное, если не сказать неправдоподобное. Якобус Каптейн полагал, что во Вселенной может быть некоторое количество невидимой материи. Ну, допустим. Ян Оорт установил, что количество темной материи в плоскости нашей Галактики примерно в два раза превышает количество видимого вещества. Несколько неожиданно, но все же не полный бред. И вот теперь Фриц Цвикки утверждает, что сияющие звезды и туманности – это в лучшем случае какие-то жалкие 0,25 % всего содержащегося во Вселенной вещества. Неудивительно, что мало кто из астрономов обратил внимание на этот результат – уж слишком он казался неправдоподобным. К тому же в то время само представление о скоростях удаления и расширении Вселенной было очень непривычным. Ведь у этой, по словам Цвикки, «пока еще не решенной проблемы» (noch nicht geklartes Problem) должно было найтись более удовлетворительное решение.

Спустя почти 90 лет проблема темной материи все так же остается нерешенной. Со временем она даже еще больше усложнилась. Так, Каптейн, Оорт и Цвикки полагали, что темная материя может состоять из очень тусклых карликовых звезд или несветящихся облаков холодного газа, но теперь мы в курсе, что она никак не может быть образована из привычных элементарных частиц – это материя, Джим, но не такая, какой мы ее знаем. И хотя первые количественные результаты, касающиеся темной материи, были опубликованы в небольших журналах и не вызвали всеобщего удивления, теперь эта тема не сходит со страниц научных изданий, ею занимаются сотни астрофизиков, космологов и специалистов по физике элементарных частиц.

Конечно, Каптейн так и не узнал обо всем этом. Он умер в 1922 году – теперь это считается предысторией космологии. Его идеи об устройстве Вселенной были революционными, но, как мы теперь знаем, в основном они оказались совершенно неправильными.

У Цвикки тоже были ошибки, хотя астрономы и не сразу это поняли. Измерения красных смещений 30 галактик в скоплении галактик в Деве, выполненные в 1936 году астрономом обсерватории Маунт-Вилсон Синклером Смитом, подтвердили опубликованный Цвикки в 1933-м первоначальный вывод о невероятном количестве темной материи в скоплениях галактик. Выполненное Цвикки в 1937 году более подробное исследование скопления Волосы Вероники также подтвердило предыдущие результаты11. Цвикки изложил эти и другие данные в своей монографии «Морфологическая астрономия», вышедшей в 1957 году12. Но теперь мы знаем, что Цвикки недооценил количество галактик в скоплении, а также среднюю звездную массу этих галактик. Кроме того, его оценка расстояния до скопления галактик Волосы Вероники оказалась завышенной, и это заставило усомниться в надежности полученных Цвикки результатов.

Но даже после учета сделанных Цвикки ошибок оценки «видимой» и «динамической» масс скоплений галактик вроде скопления Волосы Вероники различались примерно в сто раз. Даже после обнаружения в начале 70-х годов XX века в скоплениях галактик огромного количества излучающего в рентгеновском диапазоне горячего межгалактического газа оценки динамической и видимой массы все еще различаются примерно в 10 раз. Так что, когда Цвикки в 1974 году скоропостижно скончался от сердечного приступа, его 42-летняя nicht geklartes Problem осталась нерешенной.

А что с третьим первопроходцем? После