Kura domowa, która odkryła wszechświat

Kobiety nie mają łatwo w życiu zawodowym i naukowym. Gdy przychodzi czas wyboru między karierą a rodziną, często wybierają to drugie tłumiąc swoje ambicje. Vera Cooper nie zlękła się walki na dwa fronty: zawstydzała najtęższe umysły astronomii, nie rezygnując przy tym z wychowania gromadki dzieci.

Wirujący wszechświat

Gdy w latach 50. młoda dziewczyna marzyła o zgłębianiu tajemnic kosmosu, patrzono na nią z politowaniem. Wymowna anegdota głosi, że żadne poważne obserwatorium astronomiczne nie jest wyposażone w żeńskie ubikacje. W nauce, a zwłaszcza w naukach ścisłych, szowinizm był na porządku dziennym i wyjątki typu Marii Skłodowskiej niewiele zmieniły. (Nikomu też nie przychodziły do głowy hasła typu “Dziewczyny na politechniki!”). Vera rozpoczęła studia na Uniwersytecie Cornella w Ithaca (gdzie fizykę teoretyczną wykładał utalentowany Richard Feynman). Jej studenckie życie nie należało do najłatwiejszych – nie dość, że nie miała zbyt wielu koleżanek, to jeszcze niedługo przed wyborem tematu pracy magisterskiej zaszła w ciążę z doktorantem fizyki Robertem Rubinem. Kilka tygodni przed jej ukończeniem urodziła pierwszego syna.

Ekspansja przestrzeni pozbawionej centrum.

Żeby wszyscy studenci mieli tyle werwy i ambicji co nasza bohaterka. Obecnie jesteśmy przyzwyczajeni, że wszelkie prace licencjackie i magisterskie to zaledwie kilkadziesiąt nieprzydatnych nikomu stron, powtarzających już dawno odkryte tezy. Vera Cooper-Rubin, być może nieumyślnie, chwyciła za bardzo ciekawe i niepopularne zagadnienie: obrotu całego wszechświata. Kręcą się planety, kręcą się gwiazdy, kręcą się galaktyki, dlaczego więc cały kosmos nie miałby wirować? Choć pytanie wydaje się intrygujące, to jednak przed młodą studentką zadało je sobie raptem kilka osób, nie wyciągając wiążących wniosków. Trzeba pamiętać, że w omawianych czasach kosmologia dopiero raczkowała. Mimo przepędzenia koncepcji wszechświata stacjonarnego, same niuanse teorii wielkiego wybuchu, nie wspominając już o idei inflacji, dopiero miały zostać opracowane. Naukowcy niechętnie dywagowali nad tym co było na początku i jaki miało to wpływ na aktualny stan wszechrzeczy. Przy ówczesnym stanie wiedzy niezwykle trudno było ugryźć temat, nie wychodząc poza ramy metodologii naukowej. Dziś na przykład zdajemy sobie sprawę, że wszechświat nie posiada jako takiego środka, podobnie jak nie ma żadnej fizycznej krawędzi. Przestrzeń pęcznieje równomiernie w każdym miejscu, nie mając żadnego centrum (odsyłam do Małego kosmologicznego FAQ). To samo w sobie rzuca cień na teorię wirującego kosmosu. Zanim nauka do tego doszła, niektórzy intuicyjnie spodziewali się czegoś w rodzaju osi, wokół której wszystko mogłoby się obracać.

Kobieta wraca do kuchni

Praca magisterska musiała być niezwykle interesująca, bowiem poproszono Rubin o odczyt na zjeździe Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego. Nikomu nieznana 22-latka, która nie miała nawet okazji skorzystać z profesjonalnego teleskopu, głosiła swoje tezy wśród najwybitniejszych astronomów. Jak można się spodziewać, dziewczęcego głosu nie potraktowano poważnie, a Martin Schwarzschild jedynie pogratulował Verze odwagi i podziękował za próbę. Taka drobna ironia losu, gdyż podobną protekcjonalność znosił kilka dekad wcześniej ojciec Martina, Karl Schwarzchild, który mimo kpin środowiska uparcie forsował rozważania nad czarnymi dziurami. Czy Rubin rzeczywiście się myliła? Dziś możemy stwierdzić, że niemal na pewno tak. Niemal, ponieważ temat co jakiś czas powraca do łask za sprawą kolejnych obserwacji (Michael Longo, po przebadaniu kilkuset galaktyk zauważył, że większość jest lewoskrętna, co może oznaczać, że wszechświat w momencie stworzenia wirował). Tak czy inaczej, przemyślenia studentki oraz zebrane przez nią dane, miały sporą wartość dla kosmologów i nie pozostały bez echa.

Po tym wystąpieniu i obronieniu tytułu magistra, Vera na kilka lat zniknęła. Urodziła kolejne dziecko, zajmowała się domem i przygotowywała obiady swojej rodzinie. Można sobie wyobrazić młodą mamę spoglądającą na brzdąców rozrabiających w piaskownicy, czytającą przy tym Astrphysical Journal. Pewnie jeszcze by to trwało, gdyby nie jeden z głównych teoretyków Wielkiego Wybuchu, nieco ekscentryczny George Gamow, . Urodzony w Odessie profesor, znał osobiście męża Very i zainteresował się jej pracami; zwłaszcza że dotykały bliskiej mu materii (również posiadał w swoim dorobku artykuł na temat obrotu wszechświata). Wkrótce zadzwonił do kobiety z ofertą pracy na Uniwersytecie Georgetown w Waszyngtonie, gdzie mogłaby dalej zajmować się badaniem ruchu galaktyk. Rubin zdając sobie sprawę, że to ostatni dzwonek dla jej kariery naukowej, przystała na propozycję.

Brakuje materii

Robiła niemal to samo co w czasie studiów: analizowała zachowanie się galaktyk i wyciągała wnioski. Tym razem mogła zdziałać o wiele więcej, mając wreszcie dostęp do teleskopu oraz możliwość wymiany poglądów z takimi osobami jak Kent Ford, Jeremiach Ostriker czy Jim Peebles. Dwaj ostatni ukończyli właśnie kontrowersyjny artykuł Badania stabilności spłaszczonych galaktyk, w którym doszli do niepokojącej konkluzji: składniki wszechświata poruszają się w sposób całkowicie nietypowy i niezrozumiały. Szczególnie niepokoiły ich obliczenia i symulacje dotyczące pojedynczych galaktyk. Gdy puszczali komputerową galaktykę w ruch, ta natychmiast zaczynała dygotać, aż w końcu się rozpadała. Naukowcy eksperymentowali z różnymi kształtami i liczbami, ale efekt ciągle był podobny. Zaintrygowani postanowili użyć sztuczki, otaczając galaktykę sporą ilością masy stabilizującej. Halo. Początkowo efekt wydawał się mizerny, ale wraz z powiększaniem halo, galaktyki stawały się coraz stabilniejsze. Nie było tajemnicą, że poza jasno świecącymi gwiazdami oraz mgławicami, galaktyki budują ciemniejsze gazy i pyły, ale nie możliwe aby zawierały one tak wielką, brakującą masę!

vera-rubin
Vera Rubin w latach 80.

Skłamałbym pisząc, że problem był całkiem nowy. Na długo przed tym jak Peebles i Ostriker rozpoczęli kariery naukowe, niektórzy naukowcy zauważyli, że coś jest nie tak. Standardowe obliczenia dotyczące ruchu ciał niebieskich, nie zdawały egzaminu gdy odnoszono je do wielkich struktur, jak gromady galaktyk. Pojawiły się pewne artykuły na ten temat, ale koniec końców, poprzestano na zasygnalizowaniu dylematu. Prawdopodobnie uważano otrzymane dane za bardzo niepewne, wynikające z jakiegoś błędu. Gorzej gdyby okazało się, że ów problem rzeczywiście występuje i da się go bezpośrednio zaobserwować.

Krzywe rotacji galaktyk

Kogóż miało to zainteresować, jeżeli nie Verę Rubin. Od kilkunastu lat zajmowała się niemal wyłącznie obserwowaniem galaktyk. Teraz wystarczyło skupić się na pojedynczych sztukach i przeanalizować ich obrót wokół własnej osi. Podjęła się wyzwania i po pewnym czasie była gotowa na opublikowanie wyników: krzywe rotacji kilkudziesięciu zbadanych galaktyk, były niemal płaskie. Pani astronom znów musiała się czuć jak studentka, która wpadła na coś czego dorosły świat nauki nie zaakceptuje. Aby się upewnić, przeprowadzała kolejne badania, lecz spostrzeżenia pozostały takie same.

Problem krzywej rotacji.

Fizyka daje nam schematyczny obraz nieba  czym bliżej centrum obraca się dane ciało, tym szybciej się porusza. Spójrzmy na nasz Układ Słoneczny. Ziemia pędzi po swojej orbicie z prędkością prawie 30 km/s, położony dalej Mars osiąga 25 km/s, a oddalony od Słońca o 7,5 miliarda kilometrów Pluton, krąży z prędkością zaledwie 4,5 km/s. Galaktyki obserwowane przez Rubin, jak na złość nie działały w ten sposób. Gwiazdy zachowywały się jakby ktoś je przykleił do stałego rusztowania. Niezależnie od tego czy znajdowały się w centrum, czy na obrzeżach galaktycznego ramienia, poruszały się z podobną prędkością. Cieszyć się mógł Jim Peebles, gdyż obserwacje te stanowiły o słuszności jego obliczeń. Tym razem nie udało się obalić twierdzenia Very  obserwacje były poprawne, a w dodatku współgrały z niepożądanym problemem brakującej masy. Czegoś we wszechświecie brakowało, jakiegoś niewidocznego, acz bardzo znaczącego składnika.

Nie jestem wystarczająco bystra, by wiedzieć dlaczego wszechświat jest właśnie taki, a nie inny.
– Vera Rubin

Świat nauki najpierw nie dowierzał, później panikował, a w końcu przywyknął i wziął się do pracy. Albo wszechświat zawiera “coś” niewidzialnego i to w ogromnych ilościach, albo nie mamy pojęcia o dynamice, mechanice i grawitacji. Naukowcy pogodzili się z faktem, iż widzimy zaledwie ułamek otaczającej nas rzeczywistości. Co jest tym niewidzialnym budulcem? Co nie emitującego żadnego promieniowania może posiadać taką masę? To fundamentalne pytanie: jak coś czego nie dostrzegamy, może być głównym składnikiem wszechświata? Vera Cooper-Rubin zapoczątkowała jedno z największych polowań w historii nauki: polowanie na ciemną materię. Poszukiwania nadal trwają.

Literatura uzupełniająca
L. Laderman, D. Teresi, Boska Cząstka: Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?, Warszawa 2005; 
R. Panek, Ciemna Strona Wszechświata: W poszukiwaniu brakujących składników rzeczywistości, Warszawa 2011;
J. Peebles, Zrozumieć współczesną kosmologię, “Świat nauki”, marzec 2001.
B. Johnson, Vera Rubin and Dark Matter, [online: http://cwp.library.ucla.edu/articles/rubindm/rubindm.html].
Gdy zamarza piekło – o zerze absolutnym Miska na 357 milionów paczek płatków. Wspomnienie radioteleskopu Arecibo Złowieszczy pik-pik. O promieniowaniu i jego detekcji