В своей опубликованной в 1933 году работе Цвикки использовал важнейший наблюдательный метод – измерение красных смещений. Красное смещение – это небольшой сдвиг длин волн, наблюдаемый у быстро удаляющихся от нас источников света. Чем быстрее удаляется от нас объект, тем более красным он выглядит. Это эффект Доплера, с которым все мы сталкиваемся, когда мимо проносится машина с сиреной. Сам тон издаваемого сиреной звука не меняется, но, пока машина приближается, мы слышим 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.