Около 99 % массы Солнечной системы сосредоточено в самом Солнце. Но в случае дискообразной галактики вроде туманности Андромеды дело обстоит немного иначе: масса там оказывается гораздо сильнее «размазана» по системе. Из-за этого скорость движения звезды на определенном расстоянии от центра определяется не только массой центрального объекта (как и в нашей галактике Млечный Путь, в центре галактики Андромеды тоже есть сверхмассивная черная дыра), но также и массой всей – видимой и темной – материи, заключенной внутри орбиты звезды. Аналогичным образом, если бы внутри орбиты Юпитера вокруг Солнца обращались миллионы других планет-гигантов, то Юпитер двигался бы быстрее из-за вызванного их совокупной массой дополнительного притяжения.
Конечно, естественно ожидать, что начиная с некоторого места должно начаться снижение орбитальной скорости с удалением от центра галактики. В конце концов, звездная плотность на внешней границе галактического диска намного ниже плотности вблизи ядра – из-за этого внешние области галактики видны только на снимках с длительной экспозицией. Поэтому на кривой зависимости орбитальной скорости от расстояния до центра – этот график называется кривой вращения – с некоторого расстояния должно начаться медленное снижение. В форме кривой вращения галактики содержится информация о ее массе и распределении массы – именно то, что хотели определить Рубин с Фордом для галактики Андромеды.
Хотя галактика Андромеды, возможно, и ближайший сосед нашей собственной галактики Млечный Путь [9], но она все же удалена от нас на 2,5 миллиона световых лет. На таких расстояниях было невозможно получить спектры отдельных звезд – даже с помощью чувствительного прибора Форда. Вместо этого Рубин с Фордом обратили внимание на так называемые области HII – облака горячего ионизованного водорода с высокой светимостью – вроде знаменитой туманности Ориона, только гораздо крупнее. Эти облака тоже обращаются вокруг центра галактики со скоростями, которые определяются суммарной массой, заключенной внутри орбиты.
Начиная с декабря 1966 года громоздкий спектрограф с электронно-оптическим преобразователем устанавливался на 72-дюймовый телескоп обсерватории Лоуэлла во Флагстаффе (штат Аризона) для проведения наблюдений в течение нескольких ночей. Надо было точно наводить телескоп на каждую область HII так, чтобы слабый свет туманности попадал в инструмент и его можно было разложить в спектр. Для съемки спектра на фосфорном экране использовалась специальная кассетная камера – в то время не было такой вещи, как автоматическое электронное считывание. Несмотря на обеспечиваемое электронно-оптическим преобразователем невероятное усиление, пластинки размером 2×2 дюйма (5×5 см) приходилось экспонировать в течение двух-трех часов. Все это время надо было вручную «вести» телескоп, чтобы точно отслеживать медленное перемещение галактики Андромеды по небу, вызванное суточным вращением Земли. И все это в подкупольном помещении, где так же холодно, как и снаружи, да к тому же еще и в полной темноте, чтобы лишняя засветка не подпортила результаты наблюдений.
Иногда после завершения работы на телескопе обсерватории Лоуэлла Рубин с Фордом загружали оборудование в машину и отправлялись по федеральной автостраде номер 17 (так она сейчас называется) из Флагстаффа в расположенный примерно в 500 километрах Тусон, чтобы выполнить дополнительные наблюдения на 84-дюймовом телескопе Национальной обсерватории Китт-Пик. Наконец, после проявления всех фотопластинок их доставили обратно в Вашингтон, где Рубин приступала к тщательным измерениям длин волн спектральных линий с помощью специального микроскопа.
Черно-белые фотографии в гостиной Форда наполняются смыслом, когда слушаешь его рассказы о том замечательном времени в конце 1960-х годов. Очаровательная Рубин в летнем платье у подножия телескопа – снимок, очевидно, сделан днем. А еще Рубин в толстой зимней куртке и перчатках, глядящая в окуляр телескопа. Снимок, похоже, сделан во время одной из длительных многочасовых экспозиций на холодной вершине на высоте свыше 2000 метров. Рубин у координатно-измерительной машины в отделе земного магнетизма. И, конечно же, результат всех этих усилий – график кривой вращения галактики Андромеды.
9
На самом деле галактика Андромеды вместе с расположенной практически на таком же расстоянии галактикой Треугольника – это ближайшие к нам