Кто открыл тёмную материю: Фриц Цвикки или Вера Рубин?

Кому принадлежит открытие тёмной материи — Фрицу Цвикки или Вере Рубин? Цвикки предположил её существование ещё в 1933 году, но лишь спустя четыре десятилетия исследования Рубин заставили научное сообщество отнестись к этой идее всерьёз.

Итан Сигел, 29 октября 2026 года

Главное:

• Сегодня под тёмной материей понимают невидимую форму материи, обладающую массой и проявляющую себя через гравитацию, но не взаимодействующую с известными частицами посредством других фундаментальных сил.

• Убедительные гравитационные свидетельства существования тёмной материи берут начало в наблюдениях двух выдающихся астрономов — Фрица Цвикки и Веры Рубин.

• Рубин посмертно получает заслуженное признание за свою новаторскую работу, однако Цвикки опередил её, проведя столь же выдающиеся исследования ещё в 1930-х годах. Вклад обоих оказался принципиально важным.

Трудно поверить, но предположение о том, что во Вселенной преобладает не обычная, а тёмная материя — новая форма материи, существенно отличающаяся от протонов, нейтронов и электронов, — возникло ещё в 1933 году, почти столетие назад. На протяжении десятилетий большинство ведущих астрономов и физиков считали эту идею недостаточно обоснованной. В 1930–1960-х годах она почти не находила поддержки ни в теории, ни в наблюдениях. Ситуация начала меняться в 1969 году благодаря новым результатам и усовершенствованным приборам, которые использовали Вера Рубин и Кент Форд, а затем совершенствовала сама Рубин. В 1970-х годах тёмная материя прочно вошла в космологическую науку.

Так кому же следует отдать первенство? Фрицу Цвикки, который представил первые свидетельства ещё в 1933 году и ввёл термин dunkle materie, буквально означающий «тёмная материя»? Или Вере Рубин, чьи исследования вращения галактик в 1970-х годах стали прорывными? Можно ли считать, что кто-то из них предоставил неопровержимые доказательства её существования? Или вообще неправильно приписывать это открытие одному человеку?

Хотя астрономические свидетельства существования тёмной материи чрезвычайно убедительны, попытка назвать единственного первооткрывателя упускает из виду саму природу науки: то, как накапливаются наблюдения и формируются выводы. История тёмной материи полна фактов, многие из которых могут удивить.

К началу 1930-х годов, хотя с тех пор прошло уже 93 года, астрономия достигла значительных успехов.

• Диаметр телескопов достиг 100 дюймов — 2,54 метра, больше зеркала «Хаббла». Уже строился 200-дюймовый телескоп диаметром 5,1 метра, который должен был собирать вчетверо больше света.

• Стало известно, что спиральные и эллиптические туманности — это отдельные галактики, содержащие собственные звёзды и вещество и удалённые от Млечного Пути на миллионы световых лет.

• Учёные изучили свойства звёзд и связи между их яркостью, массой, цветом, температурой и ионизацией.

• Было установлено, что Вселенная расширяется, а красное смещение света далёких галактик систематически возрастает с расстоянием до них.

• Астрономы даже впервые измерили скорость расширения, получив значение величины, которую сегодня называют постоянной Хаббла.

Именно на фоне этих представлений о космосе появились первые указания на тёмную материю. В 1933 году Фриц Цвикки изучал галактики в скоплении Волос Вероники, или скоплении Кома, расположенном примерно в 300 миллионах световых лет от нас. Сегодня в нём известно более тысячи галактик. Оно крупнее, богаче и упорядоченнее расположенного ближе скопления Девы, до которого около 50–60 миллионов световых лет. Многие галактики скопления Кома велики и ярки.

Имея в распоряжении тогдашние инструменты, Цвикки сумел выделить десятки отдельных галактик скопления Волос Вероники, в том числе яркие спиральные — преимущественно на окраинах — и гигантские эллиптические, главным образом ближе к центру. Их красные смещения были примерно одинаковыми: всё скопление, находящееся на расстоянии около 320 миллионов световых лет, удаляется от нас вследствие расширения Вселенной. Среднему красному смещению соответствовала скорость около 2% скорости света.

Однако Цвикки смог не только вычислить среднее значение, но и измерить красное смещение каждой доступной для наблюдения галактики. Некоторые из них, возможно большинство, двигались со скоростью, близкой к средней. У других красное смещение оказалось значительно больше или меньше среднего, что указывало на чрезвычайно быстрое движение внутри скопления. Галактики словно роились в нём и вокруг него, подобно пчёлам возле улья.

Чтобы такая система оставалась устойчивой, её должна была удерживать огромная масса, создающая достаточно сильное притяжение и не позволяющая быстро движущимся галактикам покинуть скопление. Поскольку ничто не указывало на то, что это или другие подобные скопления распадаются, необходимая масса должна была присутствовать, даже если её нельзя было увидеть.

Цвикки рассуждал следующим образом:

• астрономам известно, как устроены звёзды;

• измерив их свет во всех видимых галактиках скопления, можно оценить массу этих галактик и скопления в целом;

• известны также законы гравитации и закономерности расширения Вселенной;

• среднее красное смещение скопления позволяет определить расстояние до него;

• а скорости галактик указывают на минимальную массу, необходимую для их гравитационного удержания.

Сопоставив массу, рассчитанную по звёздному свету, с массой, выведенной из гравитации, Цвикки обнаружил, что вторая оценка более чем в 400 раз превышает первую. Даже с учётом возможной небольшой ошибки расхождение оставалось огромным. По его заключению, в скоплении должно было находиться гораздо больше вещества, чем можно объяснить известной обычной материей. Эту невидимую материю он назвал dunkle materie — буквально «тёмная материя».

Цвикки был талантливым астрономом и одновременно независимым мыслителем, который не боялся бросать вызов общепринятым взглядам. Возможно, в том числе поэтому большинство специалистов встретили его выводы скептически. Однако у некоторых были и серьёзные основания для сомнений. Дело не обязательно сводилось к приверженности привычной картине мира: существовали крупные нерешённые вопросы, мешавшие идее тёмной материи утвердиться в науке.

Некоторые современники Цвикки указывали на следующие проблемы в его выводах.

1. Расстояние до скопления Волос Вероники: непосредственно для далёкой галактики можно измерить лишь красное смещение и наблюдаемую яркость. Если прямых измерений расстояния нет, как не было их тогда для галактик Цвикки, его приходится рассчитывать с помощью постоянной Хаббла. Но её тогдашняя оценка была настолько высокой, что давала возраст Вселенной около двух миллиардов лет — менее чем вдвое больше возраста Земли. При такой ненадёжности трудно было доверять и оценке расстояния до скопления.

2. Средняя звезда не похожа на Солнце: оценив суммарный звёздный свет галактик скопления, Цвикки предположил, что отношение массы к светимости у них такое же, как у Солнца. Между тем в свете галактик преобладают более горячие, голубые и массивные звёзды. Поэтому наблюдаемому свету должна соответствовать масса в несколько раз больше первоначальной оценки: отношение массы к светимости примерно втрое превышает использованное Цвикки.

3. В скоплении может быть много обычной несветящейся материи: пожалуй, это было главным возражением. Зачем вводить новый тип материи для объяснения движения галактик, если его может обеспечить уже известное вещество? Газ, пыль, чёрные дыры, слабосветящиеся звёздные остатки или ионизированная плазма могли находиться не только в галактиках, но и в пространстве между ними. При такой неопределённости вывод о существовании нового, к тому же преобладающего во Вселенной вида материи казался слишком смелым.

Всё это происходило до развития инфракрасной, радио- и рентгеновской астрономии, позволивших обнаружить множество компонентов обычной материи, невидимых в оптическом диапазоне. До появления метода гравитационного линзирования, с помощью которого можно определять общую массу крупных космических структур, таких как скопления галактик, также оставалось много времени.

По мере накопления данных выяснялось, что многие возражения против выводов Цвикки были обоснованными, а первоначальная оценка расхождения в 400 раз существенно отличалась от действительности. Работы Вальтера Бааде показали, что использованное Цвикки значение постоянной Хаббла было завышено, что сильно влияло на оценку расстояний. Дополнительная ошибка возникала из-за того, что тогда ещё не знали о существовании двух принципиально разных типов цефеид, применяемых для измерения расстояний. Исправление этих ошибок привело к представлению о более медленном расширении и значительно большем возрасте Вселенной; изменились и оценки расстояний до галактик.

По мере изучения звёзд стало ясно, что их масса значительно больше первоначальных оценок. Значительная часть звёздного излучения приходится не на видимый диапазон, а на соседние ультрафиолетовый и инфракрасный, что позволяет обнаружить звёзды, недоступные наблюдениям в видимом свете. Затем, начиная с 1960-х годов, астрономы стали измерять рентгеновское излучение галактик в скоплениях, а позднее и окружающей их внутрикластерной среды.

Стало очевидно, что предположенное Цвикки расхождение примерно в 400 и более раз между наблюдаемой массой и массой, необходимой для удержания скоплений, было завышено. По мере уточнения оценок это отношение уменьшалось:

• до 160 — после учёта ошибки в определении постоянной Хаббла;

• до 50 — благодаря более глубокому пониманию звёзд и их излучения;

• менее чем до 10 — когда изучение, в частности, рентгеновского излучения скоплений помогло оценить количество газа и плазмы.

Многие по-прежнему надеялись, что не обнаруженные пока источники обычной материи в конечном счёте почти повсюду устранят необходимость в тёмной материи. Современное расхождение сохраняется, но составляет около шести раз. Это значение, безусловно, ближе к единице, соответствующей отсутствию тёмной материи, чем первоначальная оценка Цвикки в 400 раз.

Тем не менее среди накопленных астрономических данных оставались указания на тёмную материю, которые не удавалось объяснить иначе.

Если бы звёздный свет надёжно указывал на распределение материи, то есть её плотность была бы выше там, где звёзды светят ярче, можно было бы ожидать, что газ и звёзды во внутренних областях галактик вращаются быстрее, чем на окраинах. Галактики, особенно спиральные, наиболее ярки в центральной области, где сосредоточен крупный звёздный балдж. По мере удаления от центра плотность звёзд и яркость балджа и диска уменьшаются.

Изначально было вполне разумно предположить, что тёмной материи нет, а масса распределена там же, где и свет. Но с развитием рентгеновской, радио- и инфракрасной астрономии, а также с повышением точности измерений отдельных участков галактик и небольших различий их скоростей наблюдения начали рисовать другую картину.

• Радионаблюдения объектов, впоследствии подтверждённых как галактики, показали, что газ ближе к центру движется не быстрее газа на большем расстоянии от него.

• Более точные измерения галактик в скоплениях выявили меньшее расхождение между массой, рассчитанной по свету, и массой, определённой по гравитации, чем у Цвикки, однако оно не исчезло.

• Соотношение гравитационной потенциальной энергии и скоростей звёзд в небольших структурах — звёздных и шаровых скоплениях, а также карликовых галактиках — показало, что для объяснения свойств последних тоже необходима невидимая масса.

Хотя эти аргументы ещё не всегда объединяли в единую картину в пользу тёмной материи, независимые свидетельства определённо указывали на то, что в смелой гипотезе Цвикки, высказанной десятилетиями ранее, могло быть зерно истины.

Такой была сложная научная обстановка, когда в 1970-х годах Вера Рубин начала публиковать свои важнейшие исследования вращения отдельных галактик. Большинство астрономов знали о работах Цвикки и понимали, насколько неопределёнными оставались оценки количества несветящегося вещества, состоящего из протонов, нейтронов и электронов. Теория первичного нуклеосинтеза только развивалась, но уже указывала, что обычной материи недостаточно для объяснения всей энергии, которая должна присутствовать во Вселенной.

Между тем у некоторых галактик обнаружились загадочные кривые вращения, а рентгеновские наблюдения свидетельствовали о значительном количестве невидимой обычной материи в скоплениях. Важную роль играла и хорошо изученная к тому времени теорема вириала, описывающая связь потенциальной и кинетической энергии в гравитационно связанных системах.

Вместе с коллегой Кентом Фордом Рубин использовала новые инструменты — разработанные им камеры с усилителями изображения. Спектры разных областей одной галактики позволяли проводить измерения с высоким спектральным разрешением и исследовать слабые участки вдали от центра, прежде недоступные наблюдениям. Начав с галактики Андромеды, а затем изучив ещё около десятка спиральных галактик, Рубин обнаружила, что их кривые вращения относительно плоские: в пределах наблюдаемых областей скорость звёзд не падала по мере удаления от центра. Это противоречило ожиданиям для галактик, масса которых определяется видимыми звёздами. В таком случае их внешние области должны были бы вращаться медленнее, подобно далёким планетам Солнечной системы.

Работа Рубин была не только новаторской, но и вызвала споры. Сами данные выглядели ясными, однако их толкование оставалось предметом дискуссии. Большинство специалистов в разных областях астрономии не хотели добавлять совершенно новую форму материи к и без того непростой картине Вселенной. Рубин занималась наблюдениями, и многие рецензенты по ненаучным причинам — от инерции мышления до откровенного сексизма — требовали, чтобы она не интерпретировала результаты в публикациях. Но исследовательницу было непросто запугать: она отстаивала свою позицию, продолжала представлять данные и предоставила научному сообществу решать, как их понимать.

К концу 1970-х годов большинство астрономов начали признавать убедительность не только её результатов, но и всё более точных данных из других областей: рентгеновских и радионаблюдений, исследований первичного нуклеосинтеза и быстро развивавшегося изучения крупномасштабной структуры Вселенной. Все они указывали на тёмную материю. В последующие годы к тому же выводу привели наблюдения, включавшие:

• изучение эллиптических галактик на разных расстояниях от их центров;

• наблюдения отдельных звёзд в карликовых галактиках;

• измерение скоростей галактик, объединяющихся в более крупные структуры;

• количественную оценку обычной материи в межгалактической среде, которой оказалось недостаточно для объяснения наблюдений.

  Совокупность этих независимых свидетельств показывала: чтобы согласованно объяснить разные результаты, необходим принципиально новый вид материи, который сегодня называют тёмной материей.

Сегодня астрономам доступны данные, по объёму и качеству во многие тысячи раз превосходящие те, которыми располагала Вера Рубин во время своих новаторских исследований. Тем не менее было бы несправедливо приписывать открытие тёмной материи одному человеку — будь то Рубин, столь явно обойдённая Нобелевской премией, или Фриц Цвикки, смелый первопроходец, предложивший радикальную идею и представивший неудобные, но весомые свидетельства. Оба сыграли важнейшую роль и предоставили астрономическому сообществу данные, которые невозможно было игнорировать, но никто из них не открыл тёмную материю в одиночку.

Рубин, в частности, опиралась на доступные ей инструменты и предшествующие исследования. Работы Цвикки 1930-х годов, ранние измерения вращения Андромеды Горасом Бэбкоком, развитие Жаном Эйнасто представлений о теореме вириала и её применении в космологии, исследования Ивана Кинга звёздных скоплений и карликовых галактик, а также отмеченная Нобелевской премией работа Джима Пиблса о крупномасштабной структуре Вселенной повлияли и на неё, и на всё астрономическое сообщество. К твёрдому выводу удалось прийти лишь после объединения всех доступных свидетельств.

На самом деле у тёмной материи нет единственного первооткрывателя: её существование было признано благодаря совокупности астрономических данных. В последующие десятилетия новые, более точные наблюдения сделали эти свидетельства настолько убедительными, что жизнеспособным альтернативам тоже приходится предполагать дополнительное поле, действие которого неотличимо от эффектов тёмной материи. Ни Цвикки, ни Рубин не совершили это открытие в одиночку, но именно они проложили путь к современному, более глубокому пониманию состава Вселенной.

Статья впервые опубликована в июле 2023 года и обновлена в октябре 2026 года.

 

Источник