[Перевод] Кто же открыл тёмную материю — Фриц Цвикки или Вера Рубин?

Кем была открыта тёмная материя: Фрицем Цвикки или Верой Рубин? Еще в 1933 году Фриц Цвикки постулировал существование тёмной материи. Лишь спустя 40 лет, благодаря работам Веры Рубин, мы стали воспринимать её всерьёз.

Итан Сигел, 29 октября 2026

Ключевые тезисы:

• На сегодняшний день тёмная материя представляет собой невидимый, имеющий массу вид материи, который создаёт гравитационное взаимодействие, но не взаимодействует ни с одной известной частицей посредством каких‑либо других фундаментальных сил.

• Хотя гравитационные доказательства существования тёмной материи неопровержимы, они выросли из наблюдений, сделанных двумя разными легендарными астрономами: Фрицем Цвикки и Верой Рубин.

• И хотя Рубин посмертно наконец‑то получает заслуженное признание за свою новаторскую работу, Цвикки был первым и провёл свои столь же потрясающие исследования еще в 1930-х годах. Открытия обоих сыграли ключевую роль.

В это трудно поверить, но сама идея о том, что во Вселенной доминирует не обычная материя, а тёмная материя, новая форма не взаимодействующей материи, совершенно отличная от протонов, нейтронов и электронов, восходит к 1933 году, то есть почти целое столетие назад! На протяжении десятилетий подавляющее большинство ведущих астрономов и физиков отвергали эту идею как необоснованную и не имеющую достаточной доказательной базы; в 1930-х, 1940-х, 1950-х и 1960-х годах она не находила особой поддержки ни на теоретическом, ни на наблюдательном фронтах. Лишь благодаря новым результатам и усовершенствованному оборудованию, впервые использованному Верой Рубин и Кентом Фордом, а затем доработанному самой Рубин, тёмная материя вошла в мейнстрим космологии в 1969 году и на закрепилась на протяжении 1970-х годов.

Так кто же должен получить лавры первооткрывателя тёмной материи? Действительно ли Фриц Цвикки, первым представивший те самые первоначальные доказательства в 1933 году и даже придумавший термин dunkle materie, что напрямую переводится как «тёмная материя», или всё же Вера Рубин с её новаторскими работами по вращению галактик в 1970-х годах открыли тёмную материю? Можно ли приписать кому‑либо из них предоставление неопровержимых доказательств в пользу её существования? Или было бы некорректно утверждать, что тёмная материя была открыта кем‑то из них, вплоть до настоящего времени?

Хотя астрономические доказательства существования тёмной материи неопровержимы, приписывание её «открытия» какому‑либо одному человеку упускает саму суть науки, включая то, как проводятся наблюдения и как делаются выводы. Вот насыщенная фактами история тёмной материи, которая может во многом вас удивить.

К наступлению 1930-х годов, хотя с тех пор прошло уже 93 года, астрономия как наука была уже весьма развита.

• Апертуры телескопов уже достигли 100 дюймов (2,54 метра, что больше зеркала «Хаббла»), и уже шло строительство 200-дюймового (5,1 метра) телескопа с удвоенным диаметром и в четыре раза большей светосилой.

• Мы узнали, что спиральные и эллиптические туманности на небе на самом деле являются самостоятельными галактиками со своими собственными звёздами и материей, расположенными в миллионах световых лет от Млечного Пути.

• Мы знали свойства звёзд и то, как связаны между собой яркость, масса, цвет/температура и ионизация.

• Мы знали, что Вселенная расширяется, и свет от более далёких галактик систематически испытывает красное смещение, напрямую зависящее от расстояния до них.

• Более того, мы даже измерили скорость расширения: было получено первое значение того, что сегодня мы знаем как постоянную Хаббла.

Именно при таком понимании космоса были обнаружены первые намёки на существование тёмной материи. В 1933 году Фриц Цвикки изучал галактики в Скоплении Волос Вероники (Скоплении Кома): скоплении галактик, расположенном всего в ~300 миллионах световых лет от нас. Сегодня в нём идентифицировано более 1000 галактик; оно крупнее, богаче и более упорядочено, чем близлежащее Скопление Девы (расположенное всего в ~50–60 миллионах световых лет), и многие его галактики велики, ярки и обладают достаточной светимостью.

Даже с инструментами, доступными Цвикки в то время, он смог идентифицировать десятки отдельных галактик из Скопления Волос Вероники, включая ряд ярких спиральных (в основном на периферии скопления) и гигантских эллиптических (в основном ближе к центру). Все эти отдельные галактики имеют примерно одинаковое красное смещение, поскольку на расстоянии около 320 миллионов световых лет всё скопление удаляется от нас вместе с расширением Вселенной. Вычислив среднее красное смещение галактик в скоплении, он получил значение, соответствующее скорости около 2% от скорости света. Скопление определённо удалялось от нас вместе с расширением Вселенной.

Но Цвикки не обязательно было довольствоваться средним значением красного смещения по множеству различных галактик; он смог измерить красное смещение каждой галактики, которую удалось наблюдать по отдельности. Некоторые из них (возможно, даже большинство) двигались со средней скоростью или скоростью, близкой к средней, на что указывало их красное смещение. Но у других значения красного смещения были намного выше или намного ниже среднего, что указывало на то, что эти галактики, составляющие скопление, невероятно быстро перемещаются внутри него. Казалось, что отдельные галактики роятся, подобно пчелиному улью, внутри и вокруг самого скопления галактик.

Чтобы такая конфигурация была стабильной, должна была существовать колоссальная масса, удерживающая это скопление галактик вместе: достаточная гравитация, чтобы не дать этим быстродвижущимся галактикам вырваться за пределы общего гравитационного притяжения скопления. Поскольку не было никаких доказательств того, что это (или любое другое подобное) скопление галактик разлетается на части, эта масса должна присутствовать, даже если мы не можем её увидеть.

Рассуждения Цвикки строились следующим образом:

• как астрономы, мы знаем, как устроены звёзды,

• и если мы измерим свет звёзд от всех видимых нами галактик в скоплении, мы сможем определить, сколько массы содержится в этих галактиках и во всём скоплении,

• мы также знаем, как работают гравитация и расширяющаяся Вселенная,

• поэтому, если мы измерим среднее красное смещение скопления, мы узнаем, как далеко оно находится,

• и, исходя из того, как быстро движутся эти галактики, там должна быть как минимум определённая масса, обусловленная гравитацией.

Сравнив значение «массы по свету звёзд» со значением «массы по гравитации», он понял, что второе число более чем в 400 раз превышает первое. Даже если бы где‑то была небольшая неучтённая ошибка, утверждал он, это всё равно было бы невероятно большое расхождение, и никакая мелкая ошибка не могла бы его объяснить. Следовательно, по необходимости, там должно быть гораздо больше материи, чем может обеспечить известная нам обычная материя. Он назвал эту невидимую материю dunkle materie, что в прямом переводе означает «тёмная материя».

Цвикки был весьма одарённым астрономом, но в то же время иконоборцем, известным тем, что бросал вызов мейнстриму. Возможно, именно поэтому его выводы подвергались сомнению большинством профессионалов в этой области, и у некоторых из них было для этого множество веских причин. Эти сомнения не обязательно были догматичным следованием общепринятой на тот момент картине мира; скорее, этому препятствовали крупные нерешённые космические загадки, которые не позволяли идее тёмной материи укорениться в научном сообществе.

Вот некоторые проблемы с выводами Цвикки, на которые указывали несколько его современников‑астрономов.

1. Определение расстояния до Скопления Волос Вероники: всё, что мы измеряем для далёкой галактики, — это лишь красное смещение и наблюдаемая яркость. Если мы хотим узнать расстояние и не имеем прямых измерений (которых у нас в то время не было ни для одной из галактик Цвикки), нам приходится выводить его из постоянной Хаббла. Но в то время оценка постоянной Хаббла была настолько абсурдно высокой, что серьёзное отношение к её значению подразумевало возраст Вселенной около 2 миллиардов лет: Вселенной, которая была бы менее чем вдвое старше Земли! Если это было столь ненадёжно, как мы могли полагаться на оценку расстояния до самого скопления?

2. Звёзды в среднем не похожи на Солнце: измерив суммарный свет звёзд в наблюдаемых галактиках Скопления Волос Вероники, Цвикки предположил, что они имеют такое же общее отношение массы к светимости, как и Солнце. Однако свет галактик определяется не такими звёздами, как наше Солнце, а более горячими, голубыми и массивными звёздами. Исходя из наблюдаемого Цвикки света, внутри на самом деле должно было быть в несколько раз больше массы, чем он предполагал; отношение массы к светимости оказывается примерно в три раза больше той цифры, которую он использовал.

3. Может присутствовать много обычной, несветящейся материи: это было, пожалуй, самым главным возражением против вывода Цвикки. Зачем привлекать какой‑то новый тип материи для объяснения движения этих галактик внутри скопления, если за это может отвечать известная нам материя? Пока она существует в любой несветящейся форме (газ, пыль, чёрные дыры, малосветимые звёздные остатки, ионизированная плазма и так далее), она даже не обязательно должна присутствовать в отдельных галактиках, а может находиться во внутрикластерной среде, разделяющей эти галактики. При наличии такой масштабной неизвестной величины, зачем делать экстраординарный вывод о том, что какой‑то новый тип материи не только существует, но и доминирует во Вселенной?

Всё это происходило ещё до развития многодиапазонной астрономии: инфракрасной, радио‑ и рентгеновской, которая раскрывает намного больше компонентов обычной материи во Вселенной, недоступных в видимом свете. Это также было задолго до появления метода гравитационного линзирования, который позволяет определять общие массы таких массивных космических структур, как скопления галактик.

По мере того как на протяжении десятилетий продолжали поступать новые доказательства, становилось ясно, что многие из этих распространённых возражений против выводов Цвикки на самом деле вполне обоснованны, и что первоначальное расхождение Цвикки «в 400 раз» было весьма далеко от истины. Работы Вальтера Бааде показали, что постоянная Хаббла, которую использовал Цвикки, была слишком велика (что кардинально меняло оценку расстояния до этих галактик). Кроме того, возникала ошибка, связанная с незнанием того факта, что цефеиды, которые он использовал для измерения галактических расстояний, бывают принципиально двух разных типов. Исключение этих ошибок привело к картине Вселенной, где скорость расширения была намного ниже, расстояния гораздо меньше, а возраст Вселенной с момента Большого взрыва намного больше, чем первоначально предполагал Цвикки.

По мере улучшения нашего понимания звёзд мы осознали, что они содержат значительно больше массы, чем предполагалось ранее. Большая часть звёздного света не находится в видимой части спектра, а переходит в соседние ультрафиолетовый и инфракрасный диапазоны, выявляя гораздо больше звёзд, чем можно было увидеть только в видимом свете. Затем, начиная с 1960-х годов, мы начали измерять рентгеновское излучение галактик внутри скоплений, а позже — и самой внутрикластерной среды.

Очевидно, что предполагаемое Цвикки расхождение «примерно в 400 раз или более» между наблюдаемым количеством присутствующей материи и гравитационно выведенным количеством материи, необходимым для удержания скоплений галактик вместе, было неверным. Оценки соотношения этих двух величин снизились с его первоначального значения около 400 до:

• 160, когда мы учли погрешность из‑за неправильного измерения постоянной Хаббла,

• 50, когда мы улучшили наше понимание природы звёзд и звёздного света,

• менее чем в 10 раз, когда мы начали понимать, сколько материи присутствует в таких формах, как газ и плазма, в частности, изучая рентгеновское излучение скоплений галактик.

Многие продолжали предполагать, что все до сих пор не открытые источники обычной материи смогут в конечном итоге устранить необходимость в «тёмной материи» почти везде. (Современное расхождение действительно сохраняется, но составляет лишь коэффициент около 6. Очевидно, что 6 ближе к 1, что соответствует сценарию «без тёмной материи», чем к первоначальному коэффициенту Цвикки, равному 400).

Однако, если рассмотреть все доступные астрономические данные, всё ещё оставались некоторые намёки на существование тёмной материи, которые упрямо не исчезали.

Если бы звёздный свет был хорошим индикатором материи (то есть материя была бы плотнее и повсеместнее там, где сильнее проявляется свет звёзд), то можно было бы ожидать, что звёзды и газ во внутренних областях галактик будут вращаться с большими скоростями, чем звёзды и газ на периферии. Галактики, особенно спиральные, наиболее ярки и излучают больше всего света из своих центральных областей, где в центре сосредоточены крупные балджи из звёзд, а затем плотность звёзд (и яркость балджа и диска) падает по мере удаления от центральной области.

Первоначальное предположение, которое мы сделали, заключалось в том, что тёмной материи не существует и что масса появляется там же, где появляется свет: вполне разумное предположение. Но по мере того как наши астрономические возможности улучшались, подкреплённые развитием многодиапазонной астрономии (включая рентгеновскую, радио‑ и инфракрасную) и способностью достигать более высокого разрешения при измерении как различных частей одной и той же галактики, так и малых различий в скоростях от места к месту, Вселенная начала рассказывать иную историю, чем мы предполагали.

• Объекты, наблюдаемые в радиодиапазоне, которые сначала предполагались, а позже были подтверждены как галактики, показали, что скорости газа, движущегося ближе всего к центру, не больше скоростей, которые можно было измерить дальше от него.

• Более совершенные измерения галактик в скоплениях показали менее выраженное расхождение между массой, выведенной по свету и по гравитации, чем первоначально вывел Цвикки, но оно всё равно сохранялось.

• А из баланса между гравитационной потенциальной энергией и скоростью звёзд в малых структурах (звёздных скоплениях, шаровых скоплениях и карликовых галактиках) стало ясно, что для объяснения этих меньших галактик также требуется какая‑то невидимая масса.

Хотя люди не совсем прямо обобщали все эти аргументы вместе, чтобы обосновать существование тёмной материи, эти независимые линии доказательств, безусловно, предполагали, что, возможно, в смелой идее Цвикки, высказанной несколько десятилетий назад, было зерно истины.

Всё это создаёт картину того минного поля, на которое вступила Вера Рубин, когда в 1970-х годах она впервые начала публиковать свои ключевые работы о свойствах вращения отдельных галактик. В то время большинство астрономов знали о работах Цвикки, а также об огромных источниках неопределённости, окружающих обилие несветящейся материи, которая всё ещё состояла из протонов, нейтронов и электронов. Наука о первичном нуклеосинтезе только набирала силу, но и она намекала на то, что обычной материи слишком мало, чтобы обеспечить 100% энергии, которая должна присутствовать во Вселенной.

Тем временем несколько галактик демонстрировали загадочные кривые вращения, а рентгеновские наблюдения намекали на обилие невидимой, но присутствующей «обычной материи» внутри скоплений галактик. Что немаловажно, космологическая связь между потенциальной и кинетической энергией в гравитационно‑связанных объектах — теорема вириала, уже была хорошо понята.

Работая со своим коллегой Кентом Фордом, Рубин использовала новые технологии, которые были ей доступны: камеры с усилителями изображения Форда. Спектры, которые она могла снимать для разных частей одной и той же галактики, позволяли достичь высокого спектрального разрешения и получать, как никогда раньше, изображения слабых частей галактики — участков, находящихся дальше от центра. Начав с галактики Андромеды и распространив свои исследования примерно на десять других спиральных галактик, она увидела то, чего не видел никто другой: что все спиральные галактики демонстрируют относительно плоские кривые вращения, где скорость движущихся внутри звёзд никогда не падает до более низких значений, как бы далеко (в пределах наблюдаемых пределов) ни заходили измерения. Это вовсе не то, чего можно было бы ожидать, если бы за массу галактик отвечали звёзды, отслеживаемые по их свету. Любая галактика должна была бы вести себя как Солнечная система, где более далёкие планеты вращаются вокруг Солнца медленнее, чем близкие.

Насколько новаторской была работа Рубин, настолько же она была и спорной. Хотя данные были ясны и однозначны, их интерпретация — далеко не ясна. Подавляющее большинство профессионалов в большинстве подразделов астрономии сопротивлялись добавлению совершенно новой формы материи к и без того спорной картине Вселенной. Рубин была наблюдателем, и большинство рецензентов (по ненаучным причинам, от инерции мышления до явных случаев сексизма) требовали, чтобы она не включала в свои опубликованные работы какую‑либо интерпретацию того, что означают данные. Но Вера Рубин была смелой исследовательницей, и её было не так легко запугать. Она стояла на своём, продолжала представлять свои результаты и предоставила возможность сообществу решать, что с этим делать.

К концу 1970-х годов большинство астрономов начали убеждаться в силе не только её данных, но и улучшающихся данных в других областях — от рентгеновского и радиоизлучения, первичного нуклеосинтеза и до быстро развивающейся области крупномасштабной структуры Вселенной, которые указывали на существование тёмной материи. В течение следующих нескольких лет многие наблюдения, включая:

• эллиптические галактики на различных расстояниях от центра,

• отдельные звёзды внутри карликовых галактик,

• скорости галактик по мере их объединения в более крупные структуры,

• и количественное открытие (недостаточно больших) количеств обычной материи в межгалактической среде,

  помогли астрономам прийти к одному и тому же выводу. Все эти многочисленные линии доказательств указывали на то, что для совместного объяснения всех этих различных наблюдений требуется добавление принципиально нового типа материи, которую мы сегодня называем тёмной материей.

Сегодня объём и качество данных, доступных всем астрономам, улучшились во многие тысячи раз по сравнению с тем, что было доступно Вере Рубин, когда занималась своей новаторской работой. Однако, как это часто бывает, было бы несправедливо приписывать открытие тёмной материи одному человеку — даже единственному достойному Нобелевской премии человеку, которого так вопиюще проигнорировали, как Рубин, или смелому первооткрывателю с радикальными идеями и неудобным, но веским доказательством, таким как Фриц Цвикки. Хотя и Рубин, и Цвикки были крайне важной частью истории, принеся астрономическому сообществу доказательства, которые просто невозможно было игнорировать, ни один из них не «открыл» тёмную материю в одиночку.

В частности, Рубин извлекла огромную пользу из доступных ей инструментов и из предыдущих работ, проделанных в этой области. Работы Цвикки в 1930-х годах, ранние измерения вращения Андромеды Горасом Бэбкоком, улучшения Жана Эйнасто в нашем понимании теоремы вириала и её применении в космологии, работы Ивана Кинга над звёздными скоплениями и карликовыми галактиками, и удостоенная Нобелевской премии работа Джима Пиблса над крупномасштабной структурой Вселенной — всё это повлияло не только на неё, но и на всё астрономическое сообщество. Только синтезируя всё известное воедино, из всего комплекса доказательств, можно было прийти к такому твёрдому выводу.

По правде говоря, у тёмной материи нет уникального, единственного первооткрывателя, она была принята лишь благодаря всему комплексу астрономических доказательств. По мере поступления улучшенных данных в последующие десятилетия, доказательства существования тёмной материи стали настолько неопровержимыми, что единственные жизнеспособные альтернативы также должны постулировать наличие дополнительного поля, свойства которого неотличимы от эффектов тёмной материи. Не Цвикки и не Рубин в одиночку открыли тёмную материю, но именно они проложили путь к нашему современному, более глубокому пониманию того, из чего на самом деле состоит Вселенная.

Эта статья была впервые опубликована в июле 2023 года. Обновлена в октябре 2026 года.