Vera Rubin a Temné Hmoty
ačkoli její otec pochyboval o kariérních příležitostech v astronomii, podpořil její zájem tím, že jí pomohl postavit vlastní dalekohled a šel s ní na setkání amatérských astronomů. Získala stipendium na prestižní ženské vysoké škole Vassar, kde v roce 1948 promovala jako jediná obor astronomie. Při žádosti o postgraduální studium bylo Rubinovi řečeno, že „Princeton nepřijímá ženy“ v astronomickém programu. (Tato politika byla opuštěna až v roce 1975.) Se Rubinová přihlásila do Cornellu, kde studovala fyziku u Philipa Morrisona, Richarda Feynmana a Hanse Betheho. Poté pokračovala na Georgetownské univerzitě, kde v roce 1954 získala titul Ph.D. (pod vedením George Gamowa, který byl poblíž na Univerzitě George Washingtona).
“ ve spirální galaxii je poměr temné a světlé hmoty asi desetkrát. To je asi dobré číslo pro poměr naší nevědomosti k poznání. Jsme mimo školku, ale jen asi ve třetí třídě.“—Vera Rubin
po vyučování Po dobu několika let v Georgetownu, vzala pozici ve výzkumu na Carnegie Institution ve Washingtonu, který měl skromný astronomie programu. Její práce se zaměřila na pozorování dynamiky galaxií. Spojila se s Kentem Fordem, astronomem, který vyvinul extrémně citlivý spektrometr.
Rubin a Ford použili spektrometr k šíření spektra světla přicházejícího z hvězd v různých částech spirálních galaxií. Hvězdy na disku galaxie se pohybují v zhruba kruhových drahách kolem středu. V případě, že disk je nakloněn naší linii pohledu, hvězdy, na jedné straně nám přiblížit, zatímco ty na druhé straně vzdálit. Když se zdroj světla pohybuje směrem k nám, vidíme pokles vlnové délky světla (posun směrem k modré části spektra), a když se zdroj vzdaluje, vidíme nárůst vlnové délky (posun k červenému konci). Tomu se říká Dopplerův efekt a posun vlnové délky je úměrný rychlosti světelného zdroje vzhledem k pozorovateli. Rubin a Ford provedli pečlivá měření dopplerovských posunů přes disky několika galaxií. Mohli by pak vypočítat orbitální rychlosti hvězd v různých částech těchto galaxií.
protože oblast jádra spirální galaxie má nejvyšší koncentraci viditelných hvězd, astronomové předpokládali, že většina hmoty a tím i gravitace galaxie bude také soustředěna směrem k jejímu středu. V tom případě, čím dále je hvězda od středu, tím pomalejší je její očekávaná orbitální rychlost. Podobně v naší sluneční soustavě se vnější planety pohybují pomaleji kolem Slunce než vnitřní. Pozorováním toho, jak orbitální rychlost hvězd závisí na jejich vzdálenosti od středu galaxie, mohli astronomové v zásadě vypočítat, jak je hmota distribuována v celé galaxii.
Když Rubin a Ford začali Dopplerova pozorování orbitálních rychlostí ve spirálních galaxiích, okamžitě objevili něco zcela neočekávaného. Hvězdy daleko od Center galaxií, v řídce osídlených vnějších oblastech, se pohybovaly stejně rychle jako ty blíže. To bylo zvláštní, protože viditelná hmota galaxie nemá dostatečnou gravitaci, aby udržovala tak rychle se pohybující hvězdy na oběžné dráze. Následovalo, že ve vnějších oblastech galaxií, kde je viditelných hvězd relativně málo, muselo být obrovské množství neviditelné hmoty. Rubin a Ford pokračovali ve studiu asi šedesáti spirálních galaxií a vždy našli to samé. „To, co vidíte ve spirální galaxii,“ uzavřel Rubin, “ není to, co dostanete.“
její výpočty ukázaly, že galaxie musí obsahovat asi desetkrát tolik „temné“ hmoty, kolik může být účtováno viditelnými hvězdami. Stručně řečeno, nejméně devadesát procent hmoty v galaxiích, a tedy v pozorovatelném vesmíru, je neviditelné a neidentifikované. Pak si Rubin vzpomněla na něco, co se naučila jako postgraduální studentka o dřívějších důkazech pro neviditelnou hmotu ve vesmíru. V roce 1933 Fritz Zwicky analyzoval Dopplerovy rychlosti celých galaxií v klastru Koma. Zjistil, že jednotlivé galaxie ve shluku se pohybuje tak rychle, že by útěk pokud cluster držela pohromadě jen gravitace viditelné hmoty. Od clusteru nevykazuje žádné známky létání od sebe, musí obsahovat převahu „temné hmoty“—asi desetkrát více, než viditelné hmoty—chcete-li svázat dohromady. Zwickyho závěr byl správný, ale jeho kolegové byli skeptičtí. Rubin si uvědomila, že objevila přesvědčivé důkazy pro Zwickyho temnou hmotu. Většina hmoty vesmíru je skutečně skrytá z našeho pohledu.
mnoho astronomů se zpočátku zdráhalo tento závěr přijmout. Pozorování však byla tak jednoznačná a výklad tak přímočarý, že si brzy uvědomili, že Rubin musí mít pravdu. Světelné hvězdy jsou pouze viditelnými stopami mnohem větší hmoty, která tvoří galaxii. Hvězdy zabírají pouze vnitřní oblasti obrovského sférického „halo“ neviditelné temné hmoty, která zahrnuje většinu hmoty galaxie. Možná existují i velké akumulace temné hmoty v obrovských prostorech mezi galaxiemi, aniž by byly viditelné hvězdy, které by sledovaly jejich přítomnost. Ale pokud ano, bylo by velmi obtížné je pozorovat.
a co je tato „temná hmota“, dosud nepozorovaná, s výjimkou vlivu její gravitace na hvězdy? Otázka je jednou z hlavních nevyřešených záhad astronomie dnes. Mnoho teoretických a pozorovacích astronomů se tvrdě snaží odpovědět.
Vera Rubin pokračuje ve zkoumání galaxií. V roce 1992 objevila galaxii (NGC 4550), ve které polovina hvězd na disku obíhá v jednom směru a polovina v opačném směru, přičemž oba systémy se prolínají! Možná to vyplynulo ze sloučení dvou galaxií rotujících v opačných směrech. Rubin od té doby našel několik dalších případů podobně bizarního chování. Nedávno ona a její kolegové zjistili, že polovina galaxií ve Velké hvězdokupě Panny vykazuje známky poruch v důsledku blízkých gravitačních setkání s jinými galaxiemi.
jako uznání jejích úspěchů byla Vera Rubinová zvolena do Národní akademie věd a v roce 1993 získala národní medaili vědy. Ale během své kariéry, Rubin nehledal status ani uznání. Jejím cílem bylo spíše osobní uspokojení vědeckého objevu. „Máme nahlédl do nového světa,“ napsala, „a viděl, že je tajemnější a složitější, než jsme si představovali. Stále více tajemství vesmíru zůstává skryto. Jejich objev čeká na dobrodružné vědce budoucnosti. Líbí se mi to takhle.“