Віра Рубін: піонерка «темної» сторони Всесвіту

Передумови до відкриття темної матерії

Одним із перших, хто поставив під сумнів виключно видиму будову галактик, був швейцарський астроном Фріц Цвіккі (1898–1974). Ще у 1933 році він спостерігав за скупченням галактик Кома, в якому понад тисяча галактик оберталися настільки швидко, що повинні були б розлітатися в різні боки. Але галактики залишалися разом, і Цвіккі запропонував, що невідома «dunkle Materie» (у перекладі з німецької — «темна матерія») утримує їх гравітаційно (див. Zwicky, 1933, Helvetica Physica Acta). Ця ідея здалася занадто радикальною і на декілька десятиліть залишилася поза увагою наукової спільноти.

Тільки у 1970-х роках все змінилося завдяки працям американської астрономки Віри Рубін, яка дійшла висновку, що галактики, наприклад сусідня Андромеда (M31), обертаються за такими законами, що видимої маси явно недостатньо, аби пояснити їхню стабільність

Фотографія Віри Рубін у Національній обсерваторії Кітт-Пік у 1963 році, де вона працює з обсерваторією № 1. 36-дюймовий телескоп.

Ранні роки та шлях у науці

Віра Купер Рубін (1928–2016) народилася у єврейській родині у Філадельфії та зростала у Вашингтоні, округ Колумбія. З дитинства вона виявляла незгасне зацікавлення космосом. У своїй автобіографічній статті, опублікованій у 2011 році в журналі Annual Review of Astronomy and Astrophysics (Rubin, 2011), вона згадувала, як батько допомагав їй змайструвати невеликий телескоп із лінолеумної труби.

Проте шлях у науку для жінок у ті часи був украй непростим. У школі вчитель фізики ігнорував дівчат, а член приймальної комісії одного з вишів радив їй замість вивчення астрономії… зайнятися малюванням зірок. Це не зупинило Рубін: вона закінчила Коледж Васcар, вивчаючи астрономію, а згодом, після заміжжя з математичним фізиком Бобом Рубіном, продовжила дослідження в Корнельському університеті і зробила перші важливі кроки до вивчення ротаційних особливостей галактик.

Нове слово в астрономії: обертання галактик

Поворотним моментом у дослідженнях Рубін став її прихід до Інституту Карнегі у Вашингтоні, де вона працювала разом із В. Кентом Фордом-молодшим. Форд створив новий спектрограф, що дозволяло більш точно вивчати швидкості зір на периферії галактик. Першим «полігоном» стала галактика Андромеди (M31).

Віра Рубін вимірює спектри в Інституті Карнегі у Вашингтоні в 1970 році

За аналогією з нашою Сонячною системою, де швидкість орбітального руху планет зменшується із збільшенням відстані від Сонця, очікувалося, що й зірки в галактиках поводитимуться так само. Однак крива обертання (rotation curve) для M31залишалась практично пласкою (див. Rubin & Ford, Astrophysical Journal, 1970, Vol.159, p.379). Це означало, що зірки на околицях галактики оберталися приблизно з такою ж швидкістю, як і зірки ближче до центру.

Швидкості обертання зірок у галактиці Андромеди, з роботи Віри Рубін і Кента Форда 1970 року. Замість низхідного нахилу, який показав би, що зорі, віддаленіші від зірки, мають повільнішу швидкість, крива майже рівна - свідчення притягання невидимої маси, або темної матерії.

З астрономічної точки зору це було феноменальним свідченням існування невидимої маси, яка гравітаційно утримує зірки від «втечі» з галактики. Протягом 1976–1986 років Рубін та Форд провели масштабне дослідження, спостерігаючи два десятки спіральних галактик і публікуючи майже пів сотні статей. У червні 1980 року у впливовому журналі Astrophysical Journalвийшла стаття, де було зібрано криві обертання 21 спіральної галактики, які всі вказували на існування «невидимої маси» (див. Rubin et al., 1980, Astrophysical Journal).

Висновок був беззаперечним: якщо дія законів Ньютона залишається вірною, то у галактиках повинні бути величезні запаси темної матерії, що може становити до 85% всієї маси Всесвіту.

Таємниця темної матерії та подальші пошуки

Незважаючи на те, що сьогодні більшість астрономів підтримують гіпотезу темної матерії, природа цього невидимого компонента залишається загадкою. Фізики будують експерименти під землею, запускають космічні телескопи й аналізують космічні промені, але підтвердження конкретної частинки чи механізму досі немає.

Сама Рубін залишалася скептично-відкритою до різних моделей природи темної матерії, не схиляючись до жодної гіпотези. У передмові до збірки своїх робіт Bright Galaxies, Dark Matters (1997) вона наголосила:

«Науковці надто рідко підкреслюють, наскільки велике наше незнання».

Віра Рубін: спадщина

Окрім наукової діяльності, Віра Рубін була пристрасною прихильницею рівних прав для жінок в науці. Вона часто зверталася до організаторів конференцій, закликаючи їх запрошувати більше жінок на пленарні виступи. Разом зі своїм чоловіком вона виховала чотирьох дітей, які також обрали науковий шлях.

Коли Рубін пішла з життя у 2016 році, її назвали «трансформаторкою» сучасної фізики та натхненницею для багатьох. А 2019 року Велику синоптичну оглядову телескопічну систему (LSST) було перейменовано на Обсерваторію імені Віри Рубін. Тривала десятирічна програма спостережень за мільярдами галактик має на меті ще глибше проникнути в таємниці темної матерії та інших космічних феноменів, продовжуючи справу астрономки.

Обсерваторія імені Віри Рубін

«Вона обожнювала ночі, проведені в обсерваторіях», згадує її колега та подруга Нета Бахкал з Принстонського університету. Саме завдяки цьому відданому пошуку відповідей на фундаментальні питання Рубін назавжди увійшла в історію як людина, що наблизила людство до розгадки найбільшої таємниці космосу.

Джерела:

1. Zwicky, F. (1933) Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln, Helvetica Physica Acta, 6, 110–127.

2. Rubin, V. C. (2011). Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 49, 1–45.

3. Rubin, V. C., & Ford, W. K. (1970). Astrophysical Journal, 159, 379–403.

4. Rubin, V. C. (1980). Astrophysical Journal, 238, 471–487.

5. Mitton, J. & Mitton, S. (2021). Vera Rubin: A Life. Belknap Press of Harvard University Press.

6. AIP Emilio Segrè Visual Archives, Rubin Collection.

7. Bahcall, N. (інтерв’ю та коментарі про роботу В. Рубін, Princeton University).