Теоретическая конструкция в физике, называемая Стандартной моделью, описывает взаимодействия всех известных науке элементарных частиц. Но это всего 5% существующего во Вселенной вещества, остальные же 95% имеют совершенно неизвестную природу. Что представляет из себя эта гипотетическая темная материя и как ученые пытаются ее обнаружить? Об этом в рамках спецпроекта рассказывает Айк Акопян, студент МФТИ и сотрудник кафедры физики и астрофизики.
Стандартная модель элементарных частиц, окончательно подтвержденная после обнаружения бозона Хиггса, описывает фундаментальные взаимодействия (электрослабое и сильное) известных нам обычных частиц: лептонов, кварков и переносчиков взаимодействия (бозонов и глюонов). Однако оказывается, что вся эта огромная сложная теория описывает лишь около 5–6% всей материи, тогда как остальная часть в эту модель никак не вписывается. Наблюдения самых ранних моментов жизни нашей Вселенной показывают нам, что примерно 95% материи, которая окружает нас, имеет совершенно неизвестную природу. Иными словами, мы косвенно видим присутствие этой скрытой материи из-за ее гравитационного влияния, однако напрямую поймать ее пока не удавалось. Это явление скрытой массы получило кодовое название «темная материя».
Современная наука, особенно космология, работает по дедуктивному методу Шерлока Холмса
Сейчас основным кандидатом из группы WISP является аксион, возникающий в теории сильного взаимодействия и имеющий очень малую массу. Такая частица способна в больших магнитных полях превращаться в фотон-фотонную пару, что дает намеки на то, как можно попробовать ее обнаружить. В эксперименте ADMX используют большие камеры, где создается магнитное поле в 80000 гаусс (это в 100000 раз больше магнитного поля Земли). Такое поле в теории должно стимулировать распад аксиона на фотон-фотонную пару, которую и должны поймать детекторы. Несмотря на многочисленные попытки, пока обнаружить WIMP, аксионы или стерильные нейтрино не удалось.
Таким образом, мы пропутешествовали через огромное количество различных гипотез, стремящихся объяснить странное наличие скрытой массы, и, откинув с помощью наблюдений все невозможное, пришли к нескольким возможным гипотезам, с которыми уже можно работать.
Отрицательный результат в науке - это тоже результат, так как он дает ограничение на различные параметры частиц, например отсеивает диапазон возможных масс. Из года в год все новые и новые наблюдения и эксперименты в ускорителях дают новые, более строгие ограничения на массу и другие параметры частиц темной материи. Таким образом, выкидывая все невозможные варианты и сужая круг поисков, мы день ото дня становимся все ближе к понимаю, из чего же все-таки состоит 95% материи в нашей Вселенной.
На сегодняшний день загадка о том, откуда появилось темное вещество так и не разгадана. Есть теории, которые предполагают, что оно состоит из межзвездного газа низкой температуры. При этом вещество не может давать какое-либо излучение. Однако существуют теории, направленные против этой идеи. Они говорят о том, что газ способен разогреваться, что приводит к тому, что они становятся обычными «барионными» веществами. В пользу этой теории свидетельствует то, что масса газа в холодном состоянии не может устранить дефицит, который возникает при этом.
В теориях о темном веществе столько вопросов, что стоит разобраться в этом чуть подробнее.
Чем является темное вещество?
Вопрос о том, что же такое темное вещество, появился примерно 80 лет назад. Еще в начале 20 века. В то время астроному из Швейцарии Ф. Цвикки пришла в голову идея о том, что масса всех галактик в реальности больше, чем масса всех тех объектов, которые можно увидеть собственными газами в телескоп. Все многочисленные подсказки намекали на то, что в космосе существует нечто неведомое, что обладает внушительной массой. Этой необъяснимой субстанции было решено дать название «темное вещество».
Это невидимое вещество занимает не менее четверти от всей Вселенной. Особенность этого вещества в том, что его частицы плохо вступают во взаимодействие между собой и с обычным другим веществом. Это взаимодействие настолько слабое, что ученые не могут даже зафиксировать это. По факту есть только признаки влияния от частиц.
Изучение этого вопроса ведется самыми большими умами по всему миру, поэтому даже самые большие скептики в мире считают, что получится уловить частицы вещества. Самая желаемая цель – сделать это в условиях лаборатории. В шахтах на большой глубине ведутся работы, такие условия для экспериментов необходимы, чтобы исключить помехи, которые оказывают частицы лучей из космоса.
Есть вероятность, что много новой информации удастся получить благодаря современным ускорителям, в частности, с помощью Большого адронного коллайдера.
Частицы темного вещества имеют одну странную особенность - взаимоуничтожение. В результате таких процессов появляется гамма-излучение, античастицы и частицы (такие как электрон и позитрон). Поэтому астрофизики делают попытки найти следы гамма-излучения или античастиц. Для этого используются различные наземные и космические установки.
Доказательства существования темного вещества
Самыми первыми сомнениями в правильности расчетов массы Вселенной, как уже говорилось, поделился астроном из Швейцарии Ф. Цвикки. Для начала он решил измерить скорость галактик из скопления Волос Вероники двигавшихся вокруг центра. И результат его работ несколько озадачил его, потому что скорость движения этих галактик оказалась выше, чем он предполагал. Кроме того, он предварительно рассчитал это значение. Но результаты не совпали.
Вывод был очевиден: реальная масса скопления была гораздо больше, чем видимая. Это могло объясниться тем, что большая часть вещества, которое есть в этой части Вселенной, не может быть видима, а также за ней невозможно понаблюдать. Это вещество проявляет свои свойство только в виде массы.
Ряд гравитационных экспериментов подтвердил присутствие невидимой массы в галактических скоплениях. В теории относительности есть некоторое толкование этого явления. Если ей следовать, то каждая масса способна к деформированию пространства, кроме того, словно линза она искривляет прямой поток световых лучей. Галактическое скопление вызывает искажение, его влияние настолько сильно, что становится заметным. Сильнее всего искажается вид галактики, которая располагается непосредственно за скоплением. По этому искажению и рассчитывается то, как распределилось вещество в этом скоплении. Так и измеряют реальную массу. Она неизменно оказывается больше в несколько раз, чем масса видимой материи.
Спустя четыре десятилетия после работ первопроходца в этой сфере Ф. Цвикки этим вопросом занялась астроном из Америки В. Рубин. Она изучала скорость, с которой вращается вокруг центра галактики вещество, которое располагается по краям галактик. Если следовать законам Кеплера, касающимся законов тяготения, то существует определенная зависимость между скоростью вращения галактик и расстоянием до центра.
Но в реальности измерения показывали, что скорость вращения не менялась с увеличением расстояния до центра. Такие данные можно было объяснить только одним путем – вещество галактики имеет одинаковую плотность как в центре, так и по краям. Но видимое вещество имело гораздо большую плотность в центре и характеризовалось разреженностью по краям, а недостаток плотности мог быть объяснен только наличием какого-то вещества, которое не видно глазу.
Чтобы дать объяснение явлению, нужно, чтобы этого самого невидимого вещества в галактиках было почти в 10 раз больше, нежели того вещества, которое мы можем увидеть. Вот это неведомое вещество и получило название «темное вещество», или «темная материя». На сегодняшний день для астрофизиков это явление так и остается самой интересной загадкой.
Есть еще один довод в пользу доказательств существования темного вещества. Он следует из расчетов, которые описывают процесс того, как формировались галактики. Считается, что началось это примерно через 300.000 лет после того, как произошел Большой взрыв . Результаты расчетов говорят, что притяжение между осколками материи, которая появилась при взрыве, не могло бы компенсировать кинетическую энергию от разлета. То есть вещество не могло сконцентрироваться в галактиках, однако мы можем видеть это сегодня.
Этот необъяснимый факт называют парадоксом галактики, его приводили как довод, разрушающий теорию Большого взрыва. Но можно посмотреть на это с другой стороны. Ведь частицы самого обычного вещества могли быть смешаны с частицами темного вещества. Тогда расчеты становятся верными, а то, как сформировались галактики, в которых скопилось много темного вещества, а к ним уже присоединились частицы обычного вещества за счет гравитации. Ведь обычное вещество составляет малую долю от всей массы Вселенной.
Видимое вещество имеет плотность относительно низкую по сравнению с темным веществом, потому что оно плотнее в 20 раз. Поэтому те 95% массы Вселенной, которых не достает по расчетам ученых – это и есть темное вещество.
Однако это приводило к выводу, что весь видимый мир, который был изучен вдоль и поперек, такой привычный и понятный, лишь небольшое приложение к тому, из чего реально складывается .
Все галактики, планеты и звезды – это просто маленький кусочек того, о чем мы не имеем понятия. Это то, что выставлено напоказ, а реальное от нас скрыто.
Первым ученым, кто теоретически обосновал и рассчитал возможность существования скрытой неизвестной материи, был швейцарский астроном болгарского происхождения Фриц Цвикки . Используя доплеровские методы, ученый вычислил скорости восьми галактик, расположенных в созвездии Вероники. В научной литературе иногда встречается другое романтичное название – Волосы Вероники .
Тёмная материя и тёмная энергия
История открытия неизвестной массы
Логика расчетов Цвикки заключалась в следующем. Поле тяготения должно удерживать галактики внутри их скопления. Исходя из этого положения, вычисляется необходимая масса. Галактики излучают свет, следовательно, можно рассчитать еще одно значение галактической массы. Эти две величины должны были совпасть, но этого не случилось. Значения очень сильно расходились. Требовалось гораздо большее значение массы для того, чтобы гравитационное поле не давало возможности галактикам разлететься.
Именно этой недостающей ее части Цвикки дал название «темная материя»
Как показали расчеты ученого, обыкновенного вещества в созвездии намного меньше, чем темной материи. Цвикки опубликовал свои результаты в не очень известном журнале Helvetica Phisica Acta .
Однако последующие 40 лет астрофизики старались не замечать такого тревожного и выдающегося результата.
В 1970 году Вера Рубин и У.К.Форд впервые изучают вращательные движения загадочной туманности Андромеды . Немного позже было изучено движение более 60 галактик. Исследования показали, что скорость вращения галактик намного больше той скорости, которую обеспечивает их видимая наблюдаемая масса. Полученный комплекс неоспоримых наблюденных фактов есть доказательство существования скрытой неизвестной материи.
Темная материя. Анатолий Владимирович
Общие представления о неведомых частицах неизвестной материи
В своих исследованиях физики иногда используют труднодоступные для обычных людей методы идентификации непознанных объектов Вселенной. Они оконтуривают неизвестные явления твердо установленными и экспериментально проверенными моделями и начинают потихоньку «прижимать» строптивое явление, терпеливо ожидая от него необходимой информации.
Однако темная материя проявляет истинное гравитационное мужество к научному любопытству физиков.
Скрытая материя скучивается точно так же, как и обыкновенное вещество, образуя галактики и их скопления. В этом, пожалуй, заключается единственное сходство хорошо нам известного видимого вещества и неизвестной массы, доля которой составляет 25% в энергетическом «банке» Вселенной.
Этот неизвестный акционер нашей Вселенной обладает простыми свойствами. Достаточно холодное скрытое вещество охотно взаимодействует с его видимым соседом (в частности, с барионами) исключительно на гравитационном языке. Следует отметить, что космическая плотность барионов в несколько раз меньше плотности скрытой материи. Такое превосходство в плотности позволяет ей фактически «руководить» гравитационным потенциалом Вселенной.
Ученые предполагают, что вещественный состав материи – это новые неизвестные частицы. Но обнаружить их пока не удается. Известно лишь то, что они не распадаются на еще более мелкие элементы Природы. Иначе во временном жизненном интервале Вселенной они бы уже прошли процесс распада. Следовательно, этот факт красноречиво говорит в пользу того, что имеет место быть новый закон сохранения, запрещающий распад частиц. Однако он еще не открыт.
Далее, вещество темной материи «не любит» взаимодействовать с известными частицами. В силу этого обстоятельства состав скрытой массы невозможно определить земными экспериментами. Природа частиц остается неизвестной.
Frequency Keepers - Неоднородная Вселенная
Какие есть пути поиска частиц темного вещества?
Перечислим несколько путей.
- Есть предположение , что протоны легче неизвестных частиц на 2-3 порядка. В таком случае они могут рождаться в столкновениях с видимыми частицами, если их разогнать до очень высоких энергий в коллайдере.
- Сложилось впечатление , что неведомые частицы находятся где-то там, в далеких галактиках. Нет не только там, но и рядом с нами. Предполагается, что в одном кубическом метре их количество может достигать 1000 штук. Однако они предпочитают избегать столкновений с атомными ядрами известного вещества. Хотя такие случаи бывают, и ученые надеются их зарегистрировать.
- Неизвестные частицы скрытой массы аннигилируют между собой. Поскольку обычное вещество для них является абсолютно прозрачным, они могут проваливаться в и . Одним из продуктов процесса аннигиляции является нейтрино, которое обладает способностью беспрепятственно проникать сквозь всю толщу Солнца и Земли. Регистрация таких нейтрино, возможно, даст о неизвестных частицах.
Какова природа скрытой массы?
Ученые наметили три направления в исследовании природы темного вещества.
- Барионная темная материя.
При таком предположении все частицы хорошо известны. Но их излучение проявляет себя так, что его невозможно обнаружить.
- обыкновенное вещество, сильно рассеянное в пространстве между галактиками;
- массивные астрофизические галообъекты (MACHO).
Данные объекты, окружая галактики, обладают сравнительно маленькими размерами. Имеют очень слабое излучение. Эти свойства не дают возможности их обнаружить.
В состав тел могут входить следующие объекты:
- коричневые карлики;
- белые карлики;
- черные дыры;
- нейтронные звезды.
Поиск вышеназванных объектов осуществляется с помощью гравитационных линз.
- Небарионная темная материя.
Состав вещества неизвестен. Возможны два варианта:
- холодная масса, которая могла бы включать фотино, аксионы и кварковые комья;
- горячая масса (нейтрино).
- Новый взгляд на тяготение.
Правдивость теории
Не исключено, что межгалактические расстояния заставят посмотреть на выдержанную временем теорию тяготения под новым углом галактического зрения.
Открытия свойств тайной материи еще впереди. Дано ли это знать человеку и что он будет делать с таким богатством – только будущее ответить на эти вопросы.
Что было первым: яйцо или курица? Над этим простым вопросом учёные всего мира бьются не один десяток лет. Аналогичный вопрос возникает о том, что было в самом начале, в момент сотворения Вселенной. А было ли оно, это сотворение, либо Вселенные цикличны или бесконечны? Что такое черная материя в космосе и чем она отличается от белой? Отбрасывая в сторону различного рода религии, попробуем подойти к ответам на эти вопросы с научной точки зрения. За прошедшие несколько лет учёным удалось совершить невероятное. Наверно, впервые в истории выкладки физиков-теоретиков сошлись с выкладками физиков-экспериментаторов. Научному сообществу за эти годы было представлено несколько различных теорий. Более или менее точно, эмпирическими путями, порою квазинаучно, однако теоретические расчетные данные были-таки подтверждены экспериментами, некоторые даже с задержкой на не один десяток лет (бозон Хиггса, например).
- черная энергия
Таких теорий много, например: Большого взрыва (Big Bang), теория цикличных Вселенных, теория параллельных Вселенных, Модифицированная Ньютоновская динамика (MOND), теория стационарной Вселенной Ф. Хойла и другие. Однако в настоящее время общепринятой считается теория постоянно расширяющейся и эволюционирующей Вселенной, тезисы которой вполне укладываются в рамках концепции Большого взрыва. При этом квазиэмпирически (т. е. опытным путём, но с большими допусками и основываясь на существующих современных теориях строения микромира) были получены данные о том, что все известные нам микрочастицы составляют лишь 4,02 % от общего объёма всего состава Вселенной. Это так называемый "барионный коктейль", либо барионная материя. Однако основная часть нашей Вселенной (более 95%) - это вещества иного плана, иного состава и свойств. Это так называемая черная материя и черная энергия. Они ведут себя иначе: по-другому реагируют на различного рода реакции, не фиксируются существующими техническими средствами, проявляют не изученные ранее свойства. Из этого можно сделать вывод, что либо эти вещества подчиняются другим законам физики (Неньютонова физика, словесный аналог Неевклидовой геометрии), либо наш уровень развития науки и техники находится лишь на начальном этапе её становления.
Что такое барионы?
Согласно существующей в настоящее время кварк-глюонной модели сильных взаимодействий, элементарных частиц всего шестнадцать (и недавнее открытие бозона Хиггса это подтверждает): шесть типов (флэйворов) кварков, восемь глюонов и два бозона. Барионы - это тяжелые элементарные частицы с сильным взаимодействием. Самые известные из них - это кварки, протон и нейтрон. Семейства таких веществ, различающиеся по спину, массам, их "цвету", а также числам "очарованности", "странности", как раз и являются кирпичиками того, что мы называем барионная материя. Черная (тёмная) материя, составляющая 21,8 % от общего состава Вселенной, состоит из иных частиц, не испускающих электромагнитного излучения и никак с ним не реагирующих. Поэтому для прямого наблюдения как минимум, а уже тем более для регистрации таких веществ необходимо для начала понять их физику и согласовать законы, которым они подчиняются. Многие современные учёные в настоящее время занимаются этим делом в научно-исследовательских институтах разных стран.
Самый вероятный вариант
Какие же вещества рассматриваются в качестве возможных? Для начала следует отметить, что существует всего два возможных варианта. Согласно ОТО и СТО (Общей и Специальной теории относительности), по составу этим веществом может являться как барионная, так и небарионная тёмная материя (черная). Согласно основной теории Большого взрыва, любая существующая материя представлена в виде барионов. Этот тезис доказан с предельно высокой точностью. В настоящее время учёные научились фиксировать частицы, образовавшиеся через минуту после разрыва сингулярности, то есть после взрыва сверхплотного состояния вещества, с массой тела, стремящейся к бесконечности, и размерами тела, стремящимися к нулю. Сценарий с барионными частицами наиболее вероятен, так как именно из них состоит и посредством них продолжает своё расширение наша Вселенная. Черная материя, согласно этому предположению, состоит из основных, общепринятых Ньютоновской физикой частиц, но по каким-то причинам слабовзаимодействующих электромагнитным образом. Именно поэтому детекторы их не фиксируют.
Не всё так гладко
Такой сценарий устраивает многих учёных, однако всё же остаётся больше вопросов, чем ответов. Если и черная, и белая материя представлена только барионами, то концентрация лёгких барионов в процентном соотношении к тяжелым, в результате первичного нуклеосинтеза, должна быть иной в исходных астрономических объектах Вселенной. Да и экспериментально не выявлено наличие в нашей галактике равновесно достаточного количества крупных объектов гравитации, таких как черные дыры или нейтронные звёзды, для уравновешивания массы гало нашего Млечного Пути. Однако те же самые нейтронные звёзды, тёмные галактические гало, черные черные и (звёзды в разных стадиях своего жизненного цикла), вероятнее всего, входят в состав тёмного вещества, из которого состоит тёмная материя. Черная энергия также может дополнять их начинку, в том числе и в предсказанных гипотетических объектах, таких как преонные, кварковые и Q-звёзды.
Небарионные кандидаты
Второй сценарий подразумевает собой небарионное начало. Здесь в качестве кандидатов могут выступать несколько видов частиц. Например, лёгкие нейтрино, существование которых уже доказано учёными. Однако их масса, порядка от одной сотой до одной десятитысячной эВ (электрон-Вольт), практически исключает их из возможных частиц из-за недостижимости необходимой критической плотности. А вот тяжелые нейтрино, парные тяжёлым лептонам, практически не проявляют себя в в обычных условиях. Такие нейтрино называют стерильными, они со своей максимальной массой до одной десятой эВ с большей вероятностью подходят в качестве кандидатов частиц тёмной материи. Аксионы и космионы были искусственно введены в физические уравнения для решения проблем в квантовой хромодинамике и в стандартной модели. Вместе с другой стабильной суперсимметричной частицей (SUSY-LSP) они вполне могут претендовать в кандидаты, так как не принимают участия в электромагнитном и сильном взаимодействиях. Однако, в отличие от нейтрино, они всё же гипотетические, их существование ещё необходимо доказать.
Теория черной материи
Недостаток массы во Вселенной порождает на этот счет разные теории, некоторые из которых вполне состоятельны. Например, теория о том, что обычная гравитация не способна объяснить странное и непомерно быстрое вращение звёзд в спиральных галактиках. При таких скоростях они бы просто вылетели за её пределы, если бы не некая удерживающая сила, зарегистрировать которую пока не представляется возможным. Другие тезисы теорий объясняют невозможность получения вимпов (массивные электрослабовзаимодействующие частицы-партнеры элементарных субчастиц, суперсимметричные и сверхтяжелые - то есть идеальные кандидаты) в земных условиях, так они живут в n-измерении, отличном в большую сторону от нашего, трёхмерного. По теории Калуцы-Клейна такие измерения для нас недоступны.
Изменчивые звёзды
Другая теория описывает, как переменные звезды и черная материя взаимодействуют между собой. Блеск такой звезды может меняться не только благодаря метафизическим процессам, происходящим внутри (пульсация, хромосферная активность, выброс протуберанцев, перетекание и затмения в двойных звёздных системах, взрыв сверхновой), но и благодаря аномальным свойствам тёмного вещества.
ВАРП-двигатель
По одной из теорий, тёмная материя может использоваться в качестве топлива для субпространственных двигателей космических кораблей, работающих по гипотетической ВАРП-технологии (WARP Engine). Потенциально такие двигатели позволяют кораблю двигаться со скоростями, превышающими скорость света. Теоретически они способны искривлять пространство до и позади корабля и перемещать его в нём даже быстрее, чем электромагнитная волна разгоняется в вакууме. Сам корабль локально не ускоряется - искривляется лишь пространственное поле перед ним. Во многих фантастических рассказах применяется такая технология, например в саге Star Trek.
Выработка в земных условиях
Попытки сгенерировать и получить черную материю на земле всё ещё не привели к успеху. В настоящее время проводятся опыты на БАКе (Большом Андронном Коллайдере), именно там, где впервые зафиксировали бозон Хиггса, а также на других, менее мощных, в том числе и линейных коллайдерах в поисках стабильных, но электромагнитно слабовзаимодействующих партнёров элементарных частиц. Однако ни фотино, ни гравитино, ни хигсино, ни снейтрино (нейтралино), а также другие вимпы (WIMP) ещё не получены. По предварительной осторожной оценке учёных, для получения одного миллиграмма тёмной материи в земных условиях необходим эквивалент энергии, потребляемой в США в течение года.
Статьях цикла мы рассмотрели устройство видимой Вселенной. Поговорили о ее структуре и частицах, которые формируют эту структуру. О нуклонах, играющих главную роль, поскольку именно из них состоит всё видимое вещество. О фотонах, электронах, нейтрино, а также о второстепенных актерах, занятых во вселенском спектакле, что разворачивается 14 миллиардов лет, прошедших с момента Большого взрыва. Казалось бы, рассказывать больше не о чем. Но это не так. Дело в том, что видимое нами вещество — лишь малая часть того, из чего состоит наш мир. Все остальное — нечто, о чем мы почти ничего не знаем. Это загадочное «нечто» получило название темной материи.
Если бы тени предметов зависели не от величины сих последних,
а имели бы свой произвольный рост, то, может быть,
вскоре не осталось бы на всем земном шаре ни одного светлого места.
Козьма Прутков
Что будет с нашим миром?
После открытия в 1929 году Эдвардом Хабблом красного смещения в спектрах удаленных галактик стало ясно, что Вселенная расширяется. Одним из вопросов, возникших в этой связи, был следующий: как долго будет продолжаться расширение и чем оно закончится? Силы гравитационного притяжения, действующие между отдельными частями Вселенной, стремятся затормозить разбегание этих частей. К чему торможение приведет — зависит от суммарной массы Вселенной. Если она достаточно велика, силы тяготения постепенно остановят расширение и оно сменится сжатием. В результате Вселенная в конце концов опять «схлопнется» в точку, из которой когда-то начала расширяться. Если же масса меньше некоторой критической массы, то расширение будет продолжаться вечно. Обычно принято говорить не о массе, а о плотности, которая связана с массой простым соотношением, известным из школьного курса: плотность есть масса, деленная на объем.
Расчетное значение критической средней плотности Вселенной примерно 10 -29 граммов на кубический сантиметр, что соответствует в среднем пяти нуклонам на кубический метр. Следует подчеркнуть, что речь идет именно о средней плотности. Характерная концентрация нуклонов в воде, земле и в нас с вами составляет около 10 30 на кубический метр. Однако в пустоте, разделяющей скопления галактик и занимающей львиную долю объема Вселенной, плотность на десятки порядков ниже. Значение концентрации нуклонов, усредненное по всему объему Вселенной, десятки и сотни раз измеряли, тщательно подсчитывая разными методами количества звезд и газопылевых облаков. Результаты таких измерений несколько различаются, но качественный вывод неизменен: значение плотности Вселенной едва дотягивает до нескольких процентов от критической.
Поэтому вплоть до 70-х годов XX столетия общепринятым был прогноз о вечном расширении нашего мира, которое неизбежно должно привести к так называемой тепловой смерти. Тепловая смерть — это такое состояние системы, когда вещество в ней распределено равномерно и разные ее части имеют одну и ту же температуру. Как следствие, невозможна ни передача энергии от одной части системы к другой, ни перераспределение вещества. В такой системе ничего не происходит и никогда уже не сможет произойти. Наглядной аналогией служит вода, разлитая по какой-либо поверхности. Если поверхность неровная и есть хотя бы небольшие перепады высот, вода перемещается по ней с более высоких мест на более низкие и в конце концов собирается в низинах, образуя лужи. Движение прекращается. Оставалось утешаться только тем, что тепловая смерть наступит через десятки и сотни миллиардов лет. Следовательно, еще очень-очень долго об этой мрачной перспективе можно не задумываться.
Однако постепенно стало ясно, что истинная масса Вселенной намного больше видимой массы, заключенной в звездах и газопылевых облаках и, скорее всего, близка к критической. А возможно, в точности равна ей.
Свидетельства существования темной материи
Первое указание на то, что с подсчетом массы Вселенной что-то не так, появилось в середине 30-х годов XX века. Швейцарский астроном Фриц Цвикки измерил скорости, с которыми галактики скопления Волосы Вероники (а это одно из самых больших известных нам скоплений, оно включает в себя тысячи галактик) движутся вокруг общего центра. Результат получился обескураживающим: скорости галактик оказались гораздо больше, чем можно было ожидать, исходя из наблюдаемой суммарной массы скопления. Это означало, что истинная масса скопления Волосы Вероники гораздо больше видимой. Но основное количество материи, присутствующей в этой области Вселенной, остается по каким-то причинам невидимой и недоступной для прямых наблюдений, проявляя себя только гравитационно, то есть только как масса.
О наличии скрытой массы в скоплениях галактик свидетельствуют также эксперименты по так называемому гравитационному линзированию. Объяснение этого явления следует из теории относительности. В соответствии с ней, любая масса деформирует пространство и подобно линзе искажает прямолинейный ход лучей света. Искажение, которое вызывает скопление галактик, столь велико, что его легко заметить. В частности, по искажению изображения галактики, которая лежит за скоплением, можно рассчитать распределение вещества в скоплении-линзе и измерить тем самым его полную массу. И оказывается, что она всегда во много раз больше, нежели вклад видимого вещества скопления.
Через 40 лет после работ Цвикки, в 70-е годы, американский астроном Вера Рубин изучала скорости вращения вокруг галактического центра вещества, расположенного на периферии галактик. В соответствии с законами Кеплера (а они напрямую следуют из закона всемирного тяготения), при движении от центра галактики к ее периферии скорость вращения галактических объектов должна убывать обратно пропорционально квадратному корню из расстояния до центра. Измерения же показали, что для многих галактик эта скорость остается почти постоянной на весьма значительном удалении от центра. Эти результаты можно истолковать только одним способом: плотность вещества в таких галактиках не убывает при движении от центра, а остается почти неизменной. Поскольку плотность видимого вещества (содержащегося в звездах и межзвездном газе) быстро падает к периферии галактики, недостающую плотность должно обеспечивать нечто, чего мы по каким-то причинам увидеть не можем. Для количественного объяснения наблюдаемых зависимостей скорости вращения от расстояния до центра галактик требуется, чтобы этого невидимого «чего-то» было примерно в 10 раз больше, чем обычного видимого вещества. Это «нечто» получило название «темная материя» (по-английски «dark matter ») и до сих пор остается самой интригующей загадкой в астрофизике.
Еще одно важное свидетельство присутствия темной материи в нашем мире приходит из расчетов, моделирующих процесс формирования галактик, который начался примерно через 300 тысяч лет после начала Большого взрыва. Эти расчеты показывают, что силы гравитационного притяжения, которые действовали между разлетающимися осколками возникшей при взрыве материи, не могли скомпенсировать кинетической энергии разлета. Вещество просто не должно было собраться в галактики, которые мы тем не менее наблюдаем в современную эпоху. Эта проблема получила название галактического парадокса, и долгое время ее считали серьезным аргументом против теории Большого взрыва. Однако если предположить, что частицы обычного вещества в ранней Вселенной были перемешаны с частицами невидимой темной материи, то в расчетах всё становится на свои места и концы начинают сходиться с концами — формирование галактик из звезд, а затем скоплений из галактик становится возможным. При этом, как показывают вычисления, сначала в галактики скучивалось огромное количество частиц темной материи и только потом, за счет сил тяготения, на них собирались элементы обычного вещества, общая масса которого составляла лишь несколько процентов от полной массы Вселенной. Получается, что знакомый и, казалось бы, изученный до деталей видимый мир, который мы совсем недавно считали почти понятым, — только небольшая добавка к чему-то, из чего в действительности состоит Вселенная. Планеты, звезды, галактики да и мы с вами — всего лишь ширма для громадного «нечто», о котором мы не имеем ни малейшего представления.
Фотофакт
Скопление галактик (в левой нижней части участка, обведенного кружком) создает гравитационную линзу. Она искажает форму расположенных за линзой объектов — вытягивая их изображения в одном направлении. По величине и направлению вытягивания международная группа астрономов из Южной Европейской обсерватории, возглавляемая учеными из парижского Института астрофизики, построила распределение масс, которое и показано на нижнем изображении. Как видно, в скоплении сосредоточено гораздо больше массы, нежели удается разглядеть в телескоп.
Охота на темные массивные объекты — дело небыстрое, и на фотографии результат выглядит не самым эффектным образом. В 1995 году телескоп «Хаббл» заметил, что одна из звездочек Большого Магелланова облака вспыхнула ярче. Это свечение продолжалось три с лишним месяца, но потом звезда вернулась к своему естественному состоянию. А шесть лет спустя рядом со звездой появился какой-то едва светящийся объект. Это и был холодный карлик, который, проходя на расстоянии 600 световых лет от звезды, создал гравитационную линзу, усиливающую свет. Расчеты показали, что масса этого карлика составляет всего 5-10% от массы Солнца.
Наконец, общая теория относительности однозначно связывает темп расширения Вселенной со средней плотностью вещества, заключенного в ней. В предположении о том, что средняя кривизна пространства равна нулю, то есть в нем действует геометрия Эвклида, а не Лобачевского (что надежно проверено, например, в экспериментах с реликтовым излучением), эта плотность должна быть равна 10 -29 граммам на кубический сантиметр. Плотность же видимого вещества примерно в 20 раз меньше. Недостающие 95% от массы Вселенной и есть темная материя. Обратите внимание, что измеренное из скорости расширения Вселенной значение плотности равно критическому. Два значения, независимо вычисленные совершенно разными способами, совпали! Если в действительности плотность Вселенной в точности равна критической, это не может быть случайным совпадением, а представляет собой следствие какого-то фундаментального свойства нашего мира, которое еще предстоит понять и осмыслить.
Что это?
Что же мы знаем сегодня о темной материи, составляющей 95% массы Вселенной? Почти ничего. Но что-то всё же знаем. Прежде всего, нет никаких сомнений в том, что темная материя существует — об этом неопровержимо свидетельствуют факты, приведенные выше. А еще нам доподлинно известно, что темная материя существует в нескольких формах. После того как к началу XXI века в результате многолетних наблюдений в экспериментах SuperKamiokande (Япония) и SNO (Канада) было установлено, что у нейтрино масса есть, стало ясно, что от 0,3% до 3% из 95% скрытой массы заключается в давно знакомых нам нейтрино — пусть масса их чрезвычайно мала, но количество во Вселенной примерно в миллиард раз превышает количество нуклонов: в каждом кубическом сантиметре содержится в среднем 300 нейтрино. Оставшиеся 92-95% состоят из двух частей — темной материи и темной энергии. Незначительную долю темной материи составляет обычное барионное вещество, построенное из нуклонов, за остаток отвечают, по-видимому, какие-то неизвестные массивные слабовзаимодействующие частицы (так называемая холодная темная материя). Баланс энергий в современной Вселенной представлен в таблице, а рассказ о ее трех последних графах — ниже.
Барионная темная материя
Небольшая (4-5%) часть темной материи — это обычное вещество, которое не испускает или почти не испускает собственного излучения и поэтому невидимо. Существование нескольких классов таких объектов можно считать экспериментально подтвержденным. Сложнейшие эксперименты, основанные всё на том же гравитационном линзировании, привели к открытию так называемых массивных компактных галообъектов, то есть расположенных на периферии галактических дисков. Для этого потребовалось следить за миллионами удаленных галактик в течение нескольких лет. Когда темное массивное тело проходит между наблюдателем и далекой галактикой, ее яркость на короткое время уменьшается (или увеличивается, поскольку темное тело выступает в роли гравитационной линзы). В результате кропотливых поисков такие события были выявлены. Природа массивных компактных галообъектов ясна не до конца. Скорее всего, это либо остывшие звезды (коричневые карлики), либо планетоподобные объекты, не связанные со звездами и путешествующие по галактике сами по себе. Еще один представитель барионной темной материи — недавно обнаруженный в галактических скоплениях методами рентгеновской астрономии горячий газ, который не светится в видимом диапазоне.
Небарионная темная материя
В качестве главных кандидатов на небарионную темную материю выступают так называемые WIMP (сокращение от английского Weakly Interactive Massive Particles — слабовзаимодействующие массивные частицы). Особенность WIMP состоит в том, что они почти никак не проявляют себя во взаимодействии с обычным веществом. Именно поэтому они и есть самая настоящая невидимая темная материя, и именно поэтому их чрезвычайно сложно обнаружить. Масса WIMP должна быть как минимум в десятки раз больше массы протона. Поиски WIMP ведутся во многих экспериментах в течение последних 20-30 лет, но, несмотря на все усилия, они до сих пор обнаружены не были.
Одна из идей состоит в том, что если такие частицы существуют, то Земля в своем движении вместе с Солнцем по орбите вокруг центра Галактики должна лететь сквозь дождь, состоящий из WIMP. Несмотря на то что WIMP представляет собой чрезвычайно слабо взаимодействующую частицу, какая-то очень малая вероятность провзаимодействовать с обычным атомом у нее всё же есть. При этом в специальных установках — очень сложных и дорогостоящих — может быть зарегистрирован сигнал. Количество таких сигналов должно меняться в течение года, поскольку, двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля меняет свою скорость и направление движения относительно ветра, состоящего из WIMP. Экспериментальная группа DAMA, работающая в итальянской подземной лаборатории Гран-Сассо, сообщает о наблюдаемых годичных вариациях скорости счета сигналов. Однако другие группы пока не подтверждают этих результатов, и вопрос, по существу, остается открытым.
Другой метод поиска WIMP основан на предположении о том, что в течение миллиардов лет своего существования различные астрономические объекты (Земля, Солнце, центр нашей Галактики) должны захватывать WIMP, которые накапливаются в центре этих объектов, и, аннигилируя друг с другом, рождать поток нейтрино. Попытки детектирования избыточного нейтринного потока из центра Земли в направлении к Солнцу и к центру Галактики были предприняты на подземных и подводных нейтринных детекторах MACRO, LVD (лаборатория Гран-Сассо), NT-200 (озеро Байкал, Россия), SuperKamiokande, AMANDA (станция Скотт-Амундсен, Южный полюс), но пока не привели к положительному результату.
Эксперименты по поиску WIMP активно проводят также на ускорителях элементарных частиц. В соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна Е=mс 2 , энергия эквивалентна массе. Следовательно, ускорив частицу (например, протон) до очень высокой энергии и столкнув ее с другой частицей, можно ожидать рождения пар других частиц и античастиц (в том числе WIMP), суммарная масса которых равна суммарной энергии сталкивающихся частиц. Но и ускорительные эксперименты пока не привели к положительному результату.
Темная энергия
В начале прошлого века Альберт Эйнштейн, желая обеспечить космологической модели в общей теории относительности независимость от времени, ввел в уравнения теории так называемую космологическую постоянную, которую обозначил греческой буквой «лямбда» — Λ. Эта Λ была чисто формальной константой, в которой сам Эйнштейн не видел никакого физического смысла. После того как было открыто расширение Вселенной, надобность в ней отпала. Эйнштейн очень жалел о своей поспешности и называл космологическую постоянную Λ своей самой большой научной ошибкой. Однако спустя десятилетия выяснилось, что постоянная Хаббла, которая определяет темп расширения Вселенной, меняется со временем, причем ее зависимость от времени можно объяснить, подбирая величину той самой «ошибочной» эйнштейновской постоянной Λ, которая вносит вклад в скрытую плотность Вселенной. Эту часть скрытой массы и стали называть «темная энергия».
О темной энергии можно сказать еще меньше, чем о темной материи. Во-первых, она равномерно распределена по Вселенной, в отличие от обычного вещества и других форм темной материи. В галактиках и скоплениях галактик ее столько же, сколько вне их. Во-вторых, она обладает несколькими весьма странными свойствами, понять которые можно, лишь анализируя уравнения теории относительности и интерпретируя их решения. Например, темная энергия испытывает антигравитацию: за счет ее присутствия темп расширения Вселенной растет. Темная энергия как бы расталкивает саму себя, ускоряя при этом и разбегание обычной материи, собранной в галактиках. А еще темная энергия обладает отрицательным давлением, благодаря которому в веществе возникает сила, препятствующая его растяжению.
Главный кандидат на роль темной энергии — вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, что и соответствует отрицательному давлению. Еще один кандидат — гипотетическое сверхслабое поле, получившее название квинтэссенция. Надежды на прояснение природы темной энергии связывают прежде всего с новыми астрономическими наблюдениями. Продвижение в этом направлении, несомненно, принесет человечеству радикально новые знания, поскольку в любом случае темная энергия должна представлять собой совершенно необычную субстанцию, абсолютно непохожую на то, с чем имела дело физика до сих пор.
Итак, наш мир на 95% состоит из чего-то, о чем мы почти ничего не знаем. Можно по-разному относиться к такому не подлежащему никакому сомнению факту. Он может вызывать тревогу, которая всегда сопутствует встрече с чем-то неизвестным. Или огорчение, оттого что такой долгий и сложный путь построения физической теории, описывающей свойства нашего мира, привел к констатации: большая часть Вселенной скрыта от нас и неизвестна нам.
Но большинство физиков сейчас испытывают воодушевление. Опыт показывает, что все загадки, которые ставила перед человечеством природа, рано или поздно разрешались. Несомненно, разрешится и загадка темной материи. И это наверняка принесет совершенно новые знания и понятия, о которых мы пока не имеем никакого представления. И возможно, мы встретимся с новыми загадками, которые, в свою очередь, также будут разгаданы. Но это будет совсем другая история, которую читатели «Химии и жизни» смогут прочесть не раньше, чем через несколько лет. А может быть, и через несколько десятилетий.
