Как бы вы назвали то, что невозможно увидеть, но что напрямую может воздействовать на другие объекты, в частности, перемещать их? Призраком? Полтергейстом? В астрофизике подобное «нечто» получило название темной материи, или скрытой массы. По мнению ученых, ее во Вселенной в пять раз больше, чем видимого вещества, и она кардинально влияет на эволюцию универсума.
После того как в 1929 году астроном Эдвин Хаббл (Edwin Hubble) сделал одно из самых впечатляющих открытий XX века – расширение Вселенной, перед астрофизикой встал ряд серьезных теоретических проблем.
Из ныне известных типов взаимодействий самое слабое – гравитационное. Но оно же – самое глобальное. Если электромагнитные силы действуют на сравнительно малых расстояниях, сравнимых с размерами самих объектов – в основном электронов (слабые и сильные взаимодействия вообще проявляются только внутри атомных ядер), то притяжению нет границ, сколько шагов ни делай. Именно гравитация собирает ничтожные пылинки в раскаленные газовые сферы, украшающие небосвод в любом месте Вселенной, она же собирает звезды в скопления и галактики и так далее. А куда далее? Скопления галактик, скопления скоплений и..? Вселенная в целом? Формально – да, но как же быть с расширением Вселенной? У гравитации есть пределы действия?
Появлению теории расширения Вселенной предшествовало обнаружение в 1929 году «красного смещения» в спектрах далеких галактик. Что это такое? Все очень просто: это проявление знаменитого эффекта Допплера. Все слышали, как меняется тональность гудка проносящегося мимо поезда или автомобиля. То же самое происходит и со светом: чем быстрее удаляется от нас звезда или другой излучающий объект, тем сильнее спектр смещается в длинноволновую («красную») область. Настоящее потрясение Хаббл испытал, когда нашел, что спектральный сдвиг тем больше, чем удаленней объект. То есть дальние области Вселенной «убегают» от нас с большей скоростью, чем соседние.
В конце XX века, когда закон Хаббла удалось проверить на очень больших расстояниях в миллиарды световых лет, когда появилась техническая возможность регистрировать вспышки очень далеких сверхновых звезд и определять таким способом расстояния до галактик, стало очевидным, что расширение Вселенной замедляется, да и его характер не столь одномерен, как принято считать. В принципе, так и должно быть! «Правильная» гравитация в конце концов должна остановить расширение и сменить его на сжатие. Но для этого должно быть выполнено одно простое условие: средняя плотность вещества должна достигать некоторой критической величины. Говоря другими словами, Вселенная должна быть достаточно «тяжелой».
В школьной астрономии говорится, что Вселенная бесконечна. Значит, и масса ее тоже беспредельна? Оказывается, это не совсем так. Массу вещества во Вселенной можно вычислить. Не слишком вдаваясь в космогонические дебри, можно исходить из двух общеизвестных величин: скорости света (наибольшей из всех возможных) и возраста Вселенной (по различным оценкам, 15–20 миллиардов лет). Перемножьте их, и вы получите расстояние, которое свет прошел за все время ее существования. Вот вам и размеры Вселенной.
Теперь, когда известны размеры, определить общую массу большого труда не составит. Взять, например, типичный «кубик» космоса объемом в миллиард парсек, оценить в нем число и массу галактик и составляющих их звезд, добавить немного межзвездной пыли и газа – и… получить очередной парадокс! По расчетам средняя плотность должна составлять 10-29 граммов на кубический сантиметр. Немного, совсем немного, не более десятка нуклонов (протонов или нейтронов) в целом кубическом метре. Для сравнения – в кубометре простой воды их 1030 штук! Но воды в космосе гораздо меньше, чем нам хотелось бы. Много больше пустоты, грандиозность которой едва ли уступает, по выражению Эйнштейна, масштабам человеческой глупости. Так вот: десятки и сотни раз вычисленная средняя плотность Вселенной не достигает и одной двадцатой от критической!
Эта величина свидетельствовала о том, что единственным долгосрочным итогом жизни Вселенной будет «тепловая смерть», настоящий абсолют стабильности и неизменности. И непривлекательное же это место! Во-первых, вещество будет равномерно «размазано» по всему объему, то есть все ядра химических элементов распадутся на отдельные нуклоны, и космос заполнится нейтронным газом «ужасающей» плотности – одна-единственная частица в кубическом парсеке! Во-вторых, эта участь не обойдет и температуру: она везде выровняется, и обмен энергией в любом виде станет невозможным. Так что для наших невообразимо далеких потомков кружка горячего чая с лимоном превратится в несбыточную мечту. Впрочем, как и сами потомки…
В свете исследований конца XX века более вероятен сценарий пульсирующей Вселенной. По оценкам ученых, мы сейчас неспешно (предположительно, в нашем распоряжении 3–5 миллиардов лет) подбираемся к точке возврата, в которой расширение сменится на сжатие, вплоть до «схлопывания» в первоатом, подобный тому, с которого все когда-то началось. В пользу такого сценария говорят многие факты.
В середине 30-х годов прошлого века швейцарский астроном Фриц Цвикки (Fritz Zwicky) измерил скорости вращения галактик вокруг общего центра в гигантском скоплении Волосы Вероники (а в нем их несколько тысяч). Результат получился настолько нелепым, что многие коллеги посчитали: Цвикки слишком вольно и неточно интерпретировал результаты измерений. Еще бы! Угловая скорость вращения скопления в три раза превышала теоретически предсказанную.
Самое смешное, что повторные независимые измерения дали тот же результат! Обвинения в научной недобросовестности в адрес швейцарского ученого отпали, но объяснение феномену могло быть только одно: в «прическе» пресловутой Вероники есть много лишнего. Просто уровень оптической астрономии не позволил его разглядеть и учесть.
Скопление стало объектом интенсивных исследований. Все новейшие астрофизические методы немедленно опробовались на «Веронике»: радиоастрономия, гамма- и инфракрасная телескопия и прочая-прочая-прочая. Ученые нашли большие облака межзвездного и межгалактического газа, несколько мощных рентгеновских источников, но все они «раскручивали» скопление лишь на несколько процентов, но никак не в три раза!
С подобным феноменом астрономы также столкнулись, изучая так называемые гравитационные линзы. Согласно общей теории относительности, и это многократно подтверждено, любой массивный объект искривляет пространство вокруг себя. Лучи света, проходя через такие области, отклоняются от прямолинейной траектории, и в результате далекий объект может выглядеть совсем иначе, нежели на самом деле. Но самые мощные космические «линзы» (а в их роли выступают скопления галактик) искажают свет далеких объектов намного сильнее и причудливее, чем можно было бы ожидать, исходя из массы видимого вещества.
В 1970-х годах американка Вера Рубин (Vera Rubin), астроном настоящей хаббловской школы, провела серию измерений скорости вращения вещества вокруг галактических центров. Вопреки ожиданиям исследователя и законам Кеплера (скорость вращения галактических объектов должна убывать по мере их удаления от центра, именно так объясняется форма спиральных галактик), у многих звездных островов эта скорость оказалась почти постоянной вне зависимости от удаления. Расчеты показали, что такой феномен объясним, если принять массу галактики большей на порядок. Само вещество распределено совершенно по-другому: плотность его не убывает при движении от центра, а остается почти неизменной, в отличие от видимого вещества звезд и межзвездного газа. Таинственная невидимая субстанция получила название «темная материя» (dark matter).
Свидетельства ее существования нашлись и в далеком прошлом. А связаны они с так называемым галактическим парадоксом. Согласно расчетам астрофизиков, сил гравитационного притяжения, действовавших между разлетающимися осколками Большого взрыва, явно недостаточно для компенсации кинетической энергии разлета, то есть возникновение звезд и галактик – явление совершенно противоестественное и научно необъяснимое. Галактический парадокс долго считался самым веским аргументом против теории Большого взрыва. При этом он благополучно разрешался в модели, предполагавшей общую массу вещества на порядок большую. А что может как нельзя лучше подойти на роль такой добавки, как не «темная материя»?
Можно ли считать допущение в некой математической модели подтверждением объективного существования чего бы то ни было? Формально, конечно, нет, но в комплексе? Как говорится, если птица крякает как утка, плавает как утка и выглядит как утка, то она утка и есть.
Наступило время узнать, а из чего же она состоит, эта таинственная «темная материя». Весьма вероятно, что ее состав неоднороден. Один компонент уже известен – это нейтрино, элементарные частицы без заряда и, как полагали ранее, без массы покоя. Они рождаются в больших количествах при ядерных внутризвездных реакциях и чрезвычайно слабо реагируют с обычным веществом. Например, нейтрино свободно «прошивают» всю нашу планету, не прореагировав ни с одним атомом вещества Земли! Только недавно амбициозные проекты SuperKamiokande (Япония) и SNO (Канада) позволили установить массу нейтрино («охота» на них вообще тема отдельной статьи). Учитывая, что на один нуклон приходится миллиард нейтрино, можно предполагать, что их общая масса – величина достаточно солидная. По предварительным оценкам, их вклад в общий «пирог» скрытой от нашего взора массы вещества может достигать 3 процентов.
Примерно столько же может приходиться на долю обычного вещества, обозначаемого учеными как «барионная темная материя». Оно может блуждать в межгалактическом пространстве в виде остывших звезд с чрезвычайно низкой температурой поверхности («коричневых карликов»), планетоидов или облаков горячего газа, излучающих только в рентгеновском диапазоне.
А кто же отвечает за все остальное? Главный кандидат – WIMP. Это не новая модель телефона или стиральной машины от «серого» производителя, а аббревиатура от английского Weakly Interactive Massive Particles, что в переводе значит «слабо взаимодействующие массивные частицы». Они ведут себя еще хуже нейтрино: обладая массой в десятки раз большей, чем привычные нам протоны и нейтроны, гипотетические частицы никак с ними не реагируют, предпочитая всем взаимодействиям исключительно гравитацию.
Обнаружить их очень сложно. Но то же самое говорили и о нейтрино, и, тем не менее, они достоверно обнаружены. Одна из предложенных методик обнаружения WIMP строится на предположении, что Земля в своем движении вместе с Солнцем по орбите вокруг центра галактики «продирается» сквозь завесу этих частиц, и отдельные крайне немногочисленные экземпляры все-таки взаимодействуют с обычными атомами. Число таких столкновений должно меняться в течение года, так как скорость движения Земли сквозь WIMP-завесу складывается из орбитальных скоростей Земли и Солнца. Об этом недавно сообщили физики из итальянской лаборатории Гран-Сассо (подземный нейтринный детектор Macro LVD), но подтверждений от других исследователей пока нет, и говорить об открытии WIMP преждевременно.
Другие ученые считают, что таинственные частицы миллиарды лет исправно улавливались массивными объектами – звездами, планетами, галактиками – и концентрировались в ядрах этих структур. В них WIMP взаимодействуют друг с другом и порождают поток нейтрино (в случае звезд – дополнительный, так как основной возникает благодаря внутриядерным реакциям синтеза). Таким образом, сканируя нейтринные потоки из центров Земли, Солнца и галактики, теоретически можно зафиксировать «всплеск» из небольших приядерных областей. Подобную работу проделали несколько групп ученых на подземных и подводных нейтринных детекторах: NT-200 (Байкал, Россия), AMANDA (станция «Скотт-Амундсен», Южный полюс), уже упомянутые Гран-Сассо и SuperKamiokande. Но безрезультатно…
В отчаянии физики обратились к ускорителям элементарных частиц, полагая, что раз энергия эквивалентна массе (Е=mс2), то при столкновениях высокоэнергетических частиц можно ожидать рождения пар других частиц и античастиц (в том числе и WIMP), масса которых равна суммарной энергии «участников» столкновения. Но и ускорительные эксперименты не дали ожидаемых результатов. Удивительно, но отрицательные результаты позволяют судить о свойствах того, что еще не найдено! Так, в феврале 2008 года сотрудники лаборатории Ферми, занятые в проекте CDMS (Cryogenic Dark Matter Search), заявили, что масса неуловимой частицы с вероятностью 90 процентов превосходит массу протона в 60 раз, а эффективное поперечное сечение (то есть вероятность взаимодействия с нуклоном) – всего 6,6x10-44 см2. Поиски основного компонента «темной материи» продолжаются, так что эпилог в истории Вселенной еще предстоит написать.