Вера Рубин и Кент Форд
Прошло несколько лет. Вера Рубин стала матерью четверых детей и преподавателем астрономии в Джорджтаунском университете, но все еще не являлась практическим астрономом. Она стала им только в 1963 году. Именно тогда она впервые смогла поработать в настоящей профессиональной обсерватории – Национальной обсерватории Китт Пик. В этот период она вместе со своими студентами изучала движение 888 относительно близких звезд, но пользовалась своим привычным методом – собирала данные по каталогам и различным базам данным.
Большинство астрономов того времени изучали движение звезд, наиболее близких к центру галактики Млечный Путь. Рубин же пошла другим путем: она стала наблюдать так называемый антицентр галактики. Это теоретический пункт в небе, который находится непосредственно напротив центра галактики Млечный Путь. То есть ее интересовали далекие звезды. На следующий год она стала первой женщиной в мире, получившей приглашение в Паломарскую обсерваторию.
Тогда она и приняла решение заниматься только астрономией. Вера Рубин жила неподалеку от Отдела земного магнетизма Института Карнеги в Вашингтоне, в библиотеке которого проходили встречи с Гамовым. В пятнадцати минутах ходьбы жил Бернард Берк, штатный радиоастроном упомянутого отдела, с которым она любила поговорить о радиоастрономии и о его работе, посвященной вращению Млечного Пути. В Отделе земного магнетизма, основанном в 1904 году, еще никогда не было сотрудника женского пола. В декабре 1964 года Вера попросила Берка принять ее на работу. Позднее она вспоминала, что тот, наверное, меньше бы удивился, если бы она предложила ему на ней жениться. Так с 1 апреля 1965 года Вера Рубин приступила к работе в Отделе земного магнетизма и оказалась в одном кабинете с Кентом Фордом. Ранее никто кабинет с Фордом не делил, потому что он все время занимался созданием и сборкой каких-то инструментов, а остальные сотрудники отдела работали с бумагами – документами, графиками и диаграммами. Вера подключилась к ловле «астрономической дичи».
Национальная обсерватория Китт Пик в пустыне Сонора, Аризона
Вера Рубин и Кент Форд в Институте Карнеги
Они стали работать вместе. Вера решила, что необходимо найти тему, которой она сможет заниматься, имея в распоряжении только маленькие телескопы. Напоминаю, что она не состояла в штате никакой крупной обсерватории, она не была на тот момент знаменитым ученым, поэтому приходилось пользоваться доступными техническими средствами. С другой стороны, тема должна была быть такой, которую никто не украдет, пока она будет ею заниматься. И результаты исследования должны принести пользу обществу.
Подумав, Вера Рубин выбрала туманность Андромеды, крупную спиральную галактику, обозначаемую М31 и ближайшую, которая напоминает нашу собственную.
В 1960-е годы Рубин первой провела исследование (в котором принимал участие Форд), показавшее, что орбитальная скорость звезд в отдаленных частях галактик соответствует скорости звезд в центре галактики. В тот период считалось, что самые мощные гравитационные силы действуют там, где больше массы (то есть в центре), а в отдалении сила, наоборот, должна уменьшиться, заставляя орбиты замедляться. Также Вера Рубин с Кентом Фордом обнаружили, что скорости звезд, входящих в спиральные галактики, гораздо медленнее убывают по мере увеличения расстояния до галактического центра, нежели положено по законам механики.
Начиная исследования, Вера Рубин ожидала увидеть систему, соответствующую универсальному единому закону гравитации – чем дальше планета от Солнца, тем медленнее она движется по орбите. Если какая-то планета находится в четыре раза дальше от Солнца, чем другая, то скорость более удаленной составит половину скорости движения по орбите более близко расположенной планеты. Если планета находится в девять раз дальше, то скорость составит одну треть.
Плутон находится в сто раз дальше от Солнца, чем Меркурий, значит, скорость его вращения по орбите должна составить одну десятую скорости вращения Меркурия. Если отразить это взаимоотношение между расстоянием и скоростью на графике (чем больше удаленность, тем ниже скорость), должна получиться кривая, идущая вниз. Именно это ожидали увидеть Рубин и Форд в различных частях галактики: чем дальше звезды от центра галактики, тем медленнее будут их скорости. Все астрономы до них всегда ожидали увидеть идущую вниз кривую взаимоотношений удаленности и скорости. Но эти ученые не производили фактических наблюдений, потому что у них не было спектрографа Форда. Более того, Рубин и Форд дошли до дальних краев спирали. Скорость звезд в центре галактики и в самых дальних ее частях оказалась одной и той же – как будто бы Плутон и Меркурий двигались на одной скорости.
Рубин выступила с рассказом о результатах их совместной работы на заседании Американского Астрономического Общества в 1968 году. Первые данные совместной работы Рубин и Форд опубликовали в 1970 году – это были результаты измерений скоростей звезд и газовых облаков в туманности Андромеды. Именно при ее изучении выяснилось, что вдали от центра галактики эти скорости примерно постоянны. Через несколько лет были получены аналогичные данные для десятков спиральных галактик, а вскоре их подтвердили и другие исследователи. Джим Пиблс, упомянутый выше, очень заинтересовался их открытиями и стал использовать эти данные для дальнейшего исследования ранней Вселенной.
В галактике движется все. Во Вселенной в движении находятся все галактики. Каждые две минуты Земля проходит 2500 миль по своей орбите вокруг Солнца. Солнце проходит 20000 миль по своей орбите вокруг центра нашей галактики. За 70 лет – среднюю продолжительность человеческой жизни – Солнце проходит 300 000 000 000 миль. Масштабы Вселенной настолько огромны, что астрономы не могут увидеть фактическое вращение галактик. Если бы, например, наблюдатели, находящиеся в туманности Андромеды, занялись изучением нашей галактики, то увидели бы неподвижную спираль – по крайней мере, она показалась бы им такой. И то же самое видят земные ученые, когда наблюдают за туманностью Андромеды. Но спектрограф видит другое – приемник излучения одновременно регистрирует весь возможный электромагнитный спектр исследуемого объекта, он может показать, сколько света из туманности Андромеды сместилось к красному концу спектра или к фиолетовому, то есть, как быстро галактика приближалась к Вере Рубин или удалялась от нее. Вера Рубин продолжала смотреть на далекие объекты, но теперь ее также интересовали и мелкие детали поближе к дому, на которые другие исследователи внимания не обращали.
Приборы середины 1960-х годов значительно превосходили инструменты, например, 1916 года, когда туманностью Андромеды занимался американский астроном Фрэнсис Пиз (1881–1938), который участвовал в создании всего первоначального оборудования обсерватории Маунт-Вильсон. Он занимался измерением диаметров звезд с помощью интерферометра, в 1916–1917 годах одним из первых измерил лучевые скорости слабых галактик и определил вращение галактик с помощью спектрографа. Но на одну галактику ему требовалось 84 часа в течение трех месяцев. Новый инструмент, сконструированный Кентом Фордом, сокращал это время на 90 %! Они с Рубин получали от четырех до шести спектров на одну ночь. Инструмент Форда позволял измерить вращение туманности Андромеды гораздо дальше от центра, чем ранее делал кто-либо из астрономов в какой-либо галактике.
Форд и Рубин многократно ездили в Аризону, в две крупнейшие лаборатории, иногда с семьями. Форд и Рубин оказались прекрасными компаньонами – они дополняли друг друга и понимали друг друга с полуслова. После открытия одинаковой скорости звезд в разных частях галактики Рубин и Форд стали строить версии, пытаясь объяснить, почему так происходит. Вначале Вера Рубин думала, что на звезды каким-то образом влияет газ. Возможно, туманность Андромеды – необычная галактика, отличающаяся от остальных.
После того как Рубин и Форд представили результаты своих наблюдений в докладах и статьях, в гости к Рубин приехал ее старый знакомый Мортон Робертс, который работал в Национальной радиоастрономической обсерватории в Шарлоттесвиле, Вирджиния. Он хотел показать Вере кое-какие фотографии. Робертс тоже занимался вращением туманности Андромеды, только проводил наблюдения на радиоволнах. Он выложил на стол «Атлас галактик Хаббла», потом свои фотографии. В своих наблюдениях за звездами и газом он зашел дальше Рубин и Форда. Робертс заявил, что это конец галактики. При этом он же сказал, что там должна быть материя. Но что за материя? Тогда, в переговорной Отдела земного магнетизма, где собрались Рубин, Форд, Робертс и еще несколько коллег, они долго смотрели на сделанные Робертсом снимки – но видели гораздо больше. Их видение простиралось за звезды, за газ спиральных рукавов, за видимый свет. Они там ничего не наблюдали своим обычным человеческим зрением, но решили, что все-таки смотрят на галактику туманность Андромеды. Она существовала, но это было что-то другое!