«Происхождение Вселенной». Глава из книги

Глава 6. Темная материя

Космос гораздо обширнее, чем те галактики со всем их видимым веществом, которые мы можем наблюдать. В нем незримо присутствует также таинственная субстанция, именуемая темной материей, которая играет более значительную роль, чем обычная материя, и служит гравитационным клеем при образовании звезд и галактик.

Проливая свет на темную материю

Несколько десятилетий тому назад мы думали, что понимаем, из какого вещества состоит Вселенная, но теперь это не так. Сейчас мы знаем, что атомы, из которых состоит все видимое вещество в космосе — от галактик до планет и облаков межзвездного газа и пыли — представляют менее 20% всей космической материи. Остальные 80% — это темная материя, невидимая в обычные телескопы. Но если мы не можем ее видеть, откуда же мы знаем, что она есть?

Мы не можем взвесить Солнце или планету на весах. Но мы можем определить их массу, измеряя гравитационное притяжение, которое они оказывают на окружающие их объекты. Таким же образом можно измерить массу галактики или даже скопления галактик, наблюдая, насколько быстро звезды и другие объекты вращаются вокруг их центров. Швейцарский астроном Фриц Цвикки (1898–1974) применил в 1933 году этот принцип к скоплению галактик Волос Вероники, содержащему более 1000 галактик и находящемуся на расстоянии 300 миллионов световых лет от нас. Он нашел, что отдельные галактики в этом скоплении двигаются слишком быстро для своих масс. И непонятно, что их удерживает в скоплении, ведь, по сути, они должны были разлететься в разные стороны (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Доказательство существования темной материи: звезды у краев галактик двигаются слишком быстро, чтобы удерживаться на орбите только за счет притяжения материи, которую мы видим в галактическом центре

Необычные результаты, полученные Цвикки, не привлекали большого внимания вплоть до конца 1960-х годов, когда Вера Рубин (1928–2016) из Института Карнеги в Вашингтоне измерила доплеровское смещение облаков водородного газа в некоторых далеких галактиках. Измерения показали, что для тех скоростей, с которыми облака вращаются вокруг центров галактик, требуется гораздо больше массы, чем ее содержится в видимом веществе.

Без темной материи само существование многих галактик, которые кажутся устойчивыми, открыто отрицает законы физики. Тот факт, что они все-таки существуют, служит одной из наиболее веских причин полагать, что в космосе существует многое, не видимое для нашего глаза.

Космический микроволновый фон

Хотя до сих пор мы не можем увидеть эту самую темную материю, мы видим доказательства ее существования везде, куда бы ни падал наш взор. Возьмем, например, космический микроволновый фон. Изучая картину распределения областей КМФ, температуры в которых немного выше и ниже средней, мы смогли многое узнать об истории развития нашей Вселенной и ее составе (рис. 6.2). Кроме всего прочего, эти вариации КМФ говорят нам о том, как была распределена материя в ранней Вселенной. Темная материя начала собираться в комки под действием гравитации раньше обычного вещества, поэтому следы ее влияния можно увидеть на небе в многочисленных маленьких горячих и холодных областях с угловыми размерами, равными примерно 0,25 градуса.

Рис. 6.2. Сравнение ранней и современной Вселенной

Картина распределения этих пятен позволяет нам определить, сколько должно быть темной материи. Оказывается, на 1 грамм видимого вещества в космосе должно приходиться 4 или 5 граммов, которые мы не видим.

Даже если бы темная материя была не нужна для удерживания галактик от разлетания, в ее отсутствие космос выглядел бы совсем по-другому. Так говорят модели Вселенной, полученные на суперкомпьютере. Такое моделирование прослеживает движение миллиардов частиц на протяжении всей эволюции Вселенной и помогает понять, почему Вселенная стала такой, какая она есть. Когда атомы газа в обычной материи сжаты в более тесном объеме, они сталкиваются чаще. Это взаимодействие стремится оттолкнуть атомы друг от друга, препятствуя дальнейшему сжатию газа под действием гравитации. С другой стороны, частицы темной материи вяло взаимодействуют друг с другом и поэтому «кучкуются» более охотно. Моделирование с учетом этих свойств показывает, что при расширении и эволюции Вселенной первыми образовывались «комки», или гало, темной материи.

Первые образовавшиеся гало темной материи были, вероятно, размером с Землю, но гораздо менее плотными. Со временем они начали слипаться и постоянно росли. В конце концов некоторые выросли настолько, что начали притягивать большое количество атомов водорода, гелия и других элементов обычного вещества. Так стали появляться зерна первых звезд и галактик.

Поражает совпадение форм и размеров структур, получаемых при моделировании поведения темной материи, с теми, которые реально наблюдаются в нашей Вселенной. Практически не остается сомнений, что темная материя реально существует и, более того, что именно она послужила питомником для формирования галактик, таких как наш Млечный Путь.

Что такое темная материя?

До сих пор мы не можем дать исчерпывающего ответа на этот вопрос. Она должна быть невидимой или, по крайней мере, едва заметной, поэтому в ее состав не должно входить ничего, что может сильно излучать, отражать или поглощать свет. Таким образом, обычное вещество, состоящее из атомов, не подходит. Так возникла гипотеза, что темную материю могут составлять большие объекты, такие как черные дыры или экзотические нейтронные звезды, или белые карлики, ведь они практически не видны в телескопы. Такие объекты даже получили специальное название: массивные астрофизические компактные объекты гало (massive astrophysical compact halo objects, MACHO). Но наблюдатели отвергли эту гипотезу. Дело в том, что сильная гравитация таких объектов отклоняла бы свет, идущий к нам от далеких звезд. Мы видим эффекты гравитационных линз, но достаточно редко: эти явления могут объяснить только несколько процентов недостающей массы.

Большинство космологов считают, что мы буквально купаемся в море темной материи, состоящей из газа слабо взаимодействующих массивных частиц, газа, который пронизывает всю галактику, включая нашу Солнечную систему. Тем не менее ни одна из частиц, открытых за последнее столетие, не годится на эту роль. Темная материя должна быть чем-то совершенно новым. За последние годы были сделаны дюжины различных предположений. Предлагались различные варианты: от тяжелых нейтрино-подобных частиц до сверхлегких гипотетических аксионов, от обычной материи со слегка искаженными свойствами (см. ниже «Странно знакомые») до действительно странных вариантов с частицами, двигающимися сквозь дополнительные пространственные измерения.

Суперсимметрия

Тем не менее для многих физиков среди этих гипотез существует явный фаворит: частицы, предсказанные теорией суперсимметрии. В нашем мире существуют два класса частиц: фермионы и бозоны. Фермионы — это такие частицы, как электроны, нейтрино и кварки, из которых и состоит то, что мы называем веществом. Бозоны — это частицы, ответственные за передачу взаимодействий в природе. Электромагнитная сила есть не что иное, как бозоны — фотоны, снующие туда-сюда между электрически заряженными частицами.

Теория суперсимметрии предполагает, что для каждого типа фермиона должен также существовать соответствующий тип бозона со многими сходными свойствами (рис. 6.3). У электрона, например, должен быть до сих пор еще не открытый, но уже получивший имя партнер — селектрон. Так же фотон должен иметь среди фермионов аналог по имени фотино.

Рис. 6.3. Сравнение стандартной модели и теорий суперсимметрии: в теориях суперсимметрии нейтралино являются более тяжелыми партнерами фотона, Z-бозона — переносчика слабого взаимодействия, и бозонов Хиггса

Среди новых частиц, согласно теориям суперсимметрии, есть одна, которая может быть стабильной и иметь характеристики, требуемые для кандидата в темную материю. Это легчайшая частица, которая получила название «нейтралино». Если нейтралино действительно существуют, то эти легчайшие частицы, вероятно, должны были возникнуть в первые секунды после Большого взрыва в количествах, необходимых для появления темной материи в нашей сегодняшней Вселенной.

Но на тропе суперсимметрии нас поджидают засады. Никто еще не видел суперсимметричные частицы. Физики подозревают, что частицы-суперпартнеры, если они существуют, должны быть гораздо тяжелее, чем их обычные аналоги, что очень сильно усложняет их создание или экспериментальное открытие. Но Большой адронный коллайдер, расположенный в лаборатории физики элементарных частиц ЦЕРН возле Женевы (Швейцария), недавно вышел на тот уровень энергий, на котором мы ожидали появления суперсимметричных частиц. Напрямую обнаружить их не удастся, однако можно будет предположить их присутствие по дисбалансу энергии и импульса, полученных в результате столкновений частиц.

Некоторые физики пытаются уловить частицы темной материи, пронизывающие нашу планету во всех направлениях, что довольно сложно. Ведь для того чтобы быть «темными», частицы темной материи должны очень слабо взаимодействовать с обычной материей. И все-таки они должны быть пойманы, хотя этому мешает очень шумный фон от естественной радиоактивности и космических лучей. Представьте, что вы стоите на углу шумной улицы и пытаетесь услышать звук булавки, упавшей на землю.

Охотники за темной материей

Некоторые охотники за темной материей спускаются под землю, устанавливая детекторы в шахтах, чтобы таким образом защитить их от космических лучей. Но до сих пор эти детекторы «глубокого залегания» не смогли обнаружить никаких частиц темной материи. Иногда регистрируются намеки на желанное событие, но при ближайшем рассмотрении оказывается, что это лишь мираж.

В то время как одни уходят глубоко под землю, другие устремляются в космическое пространство с целью увидеть высокоэнергетические частицы, которые могут появляться, когда массивные частицы темной материи взаимодействуют и уничтожают друг друга. Специальные телескопы, построенные для обнаружения гамма-излучения, антиматерии и нейтрино, уже поймали сигналы, похожие на сигналы, которые согласно предсказаниям должна рождать аннигиляция частиц темной материи. В 2008 году космическим аппаратом PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics, ‘Нагрузка по исследованию антиматерии и астрофизики легких ядер’) было установлено, что на удивление большая часть космических лучей, путешествующих в космическом пространстве, относится не к обычной материи, а к антиматерии. Это возможный путь к обнаружению аннигиляции темной материи, хотя, скорее всего, эти лучи исходят из хорошо известных источников антиматерии в нашей Галактике, таких как пульсары — быстро вращающиеся нейтронные звезды. Космический гамма-телескоп Ферми (НАСА) зафиксировал яркий источник гамма-лучей из центра нашей Галактики, который также очень похож на сигнал, ожидаемый от аннигиляции частиц темной материи. В данный момент этот результат выглядит более убедительно, чем данные, полученные аппаратом PAMELA, но опять-таки он может быть следствием процессов, происходящих на до сих пор неизвестных астрофизических объектах.

Не выглядит ли все это попыткой поймать черную кошку в темной комнате, тем более что ее может там и не быть, как и темной материи во Вселенной? В 1983 году израильский физик Мордехай Милгром (род. 1946) предположил, что неоправданно высокие скорости движения звезд в галактиках можно объяснить другим способом: если гравитация ведет себя не так, как предсказывали Ньютон или Эйнштейн. Он указал, что наблюдаемое вращение в галактиках может быть объяснено, если второй закон Ньютона — сила равна произведению массы на ускорение или F = ma — модифицируется таким образом, что при очень малых ускорениях сила гравитации становится пропорциональной квадрату ускорения.

Однако в последние годы предположение Милгрома, получившее название MOND (modified Newtonian dynamics), столкнулось с серьезными проблемами. В частности, оно не может убедительно объяснить характер движения галактик внутри скоплений. Наблюдения, проведенные в 2006 году, выявили пару скоплений галактик в процессе слияния, получившую название скопление галактик Пуля. Движение скоплений указывает на то, что их центр притяжения не совпадает с областью, где сосредоточены газ и звезды, как следовало бы из теории MOND. Предположительно, темная материя сместила центр притяжения в другое место; исходя из этого, большинство космологов не считают более теорию MOND жизнеспособной альтернативой существованию темной материи. Скопление галактик Пуля не исключает существование различных модификаций гравитации, и некоторые радикальные альтернативы теории относительности претендуют на объяснение ряда эффектов, которые обычно приписывают темной материи (см. главу 8). Но это вовсе не означает, что все на свете нужно объяснять темной материей.

Чувствительность детекторов темной материи увеличивается в 10 раз примерно за каждые два года, так что первые несомненные доказательства существования частиц темной материи могут появиться в течение ближайших нескольких лет. Вот тогда мы, наконец, сможем пролить свет на свойства темной материи.

Странно знакомые

Придумывание новых частиц для объяснения недостающей массы Вселенной завело нас в никуда. Быть может, темная материя — это хорошо замаскированная обычная материя?

В июле 2015 года неожиданная гостья посетила Большой адронный коллайдер ЦЕРНа. Названная пентакварком, эта необычная частица представляет собой совершенно новый способ собрать воедино основные строительные кирпичики вещества. Это событие прозвучало приятной мелодией для ушей Гленна Старкмана, физика-теоретика из Университета Кейс Вестерн Резерв в Кливленде (штат Огайо, США). Он выдвинул смелую идею: во Вселенной существуют другие разновидности обычной материи, и их вполне достаточно, чтобы сыграть роль неуловимой темной материи.

Чтобы сформировать материю, которая нас окружает, элементарные частицы собираются в определенные стандартные конфигурации. Кварки группируются по трое и образуют составные частицы, известные как барионы, в том числе протоны и нейтроны, входящие в состав атомных ядер. Нам также известны эфемерные комбинации кварка и антикварка, называемые мезонами.

Но кварки — создания изворотливые и из-за особенностей связывающего их сильного ядерного взаимодействия в одиночку по Вселенной не плавают. Когда расстояние между кварками мало, эта связывающая сила слаба. Но как только расстояние возрастает, сила увеличивается, притягивая кварки друг к другу. Сильное взаимодействие зависит и от других причин, и физики настойчиво стараются понять в деталях, как кварки образуют мезоны и барионы.

Странные кварки

Эта неопределенность привела к предположениям, что могут существовать другие формы материи. Еще в начале 1980-х годов физик и математик Эдвард Виттен из Принстонского университета предположил, что легкие кварки могут вступать в необычные комбинации со своими более тяжелыми «двоюродными братьями», такими как странные кварки (рис. 6.4). Эти кварки могут вырастать в большие аморфные пузыри, собирая все больше и больше новых частиц в небольшом объеме. Виттен назвал их «кварковые самородками». Брайан Линн, физик-теоретик из Университетского колледжа Лондона, и его коллеги позднее распространили эту гипотезу для объяснения других структур, таких как «странная барионная материя» и «хиральные жидкие капли»¹.

Такие экзотические сгустки из знакомых нам элементарных частиц будут плотными, как нейтронные звезды — одна чайная ложка вещества, из которого они состоят, весит столько же, сколько приличная по размерам гора. Исследователи назвали их «макросы»; их масса, если они обнаружатся, будет измеряться не теми ничтожно малыми величинами, как у обычных элементарных частиц, а килограммами и тоннами. Макросы не должны вступать в реакции ядерного синтеза и поэтому не должны светиться. Они слишком малы и практически не должны отражать или поглощать какой бы то ни было свет. Можно сказать, что это частицы-невидимки.

Рис. 6.4. В обычном веществе связано 2–3 кварка. Сверхмассивные частицы, состоящие из множества кварков, могли бы претендовать на роль неуловимой темной материи

Исходя из этих предположений, можно подумать, что найден идеальный кандидат на роль темной материи. Тем не менее физики скептически отнеслись к этой идее. На это есть две причины:

1. Если макросы являются компактными объектами наподобие коричневых карликов или черных дыр и по массе сравнимы с Солнцем, тогда их должно быть больше, чем видимых звезд. Только в этом случае они смогут быть ответственными за те эффекты, которые сейчас традиционно объясняются темной материей. Но тогда макросы отклоняли бы свет, идущий к Земле от звезд, то есть создавали бы эффект гравитационного линзирования.
2. Если бы ядерное вещество распределялось тонким «ковром» по всей Вселенной, оно взаимодействовало бы с самим собой и другим веществом, затрудняя процесс образования галактик в том виде, в как мы его знаем.

Ответ Старкмана на эти возражения заключается в следующем. Макросы вовсе не обязаны иметь слишком большую массу и повсеместно приводить к эффекту гравитационного линзирования; не должны они и «размазываться» тонким слоем повсюду, вступая во взаимодействие с чем попало. Они могут группироваться в шариках среднего размера, ни слишком больших, ни слишком маленьких, что вполне согласуется с существующими космологическими наблюдениями.

Частицы, рожденные в космосе

Вооруженные этой идеей, Старкман с коллегами принялись за поиски макросов средних размеров. Вначале они попытались понять, где могли появляться макросы с разрешенной наименьшей массой. Может быть, они оставили свой след в минералах, погребенных в недрах Земли, или на пластиковых щитах космической станции «Скайлэб», установленных специально для поимки рожденных в космосе частиц? Так и не найдя нигде ожидаемых сигналов, Старкман сделал вывод, что разрешенные массы макросов должны находиться в диапазоне от 50 граммов до массы горы Эверест.

Ученый Дэвид Джейкобс из Кейптаунского университета в Южной Африке, работающий над проектом вместе со Старкманом, надеется «услышать», как макросы пролетают в океане. Для этого он использует гидрофоны, которые применяются для изучения повадок китов или для отслеживания незаконно проводимых ядерных испытаний. Кроме того, в поисках макросов он планирует исследовать данные детекторов космических лучей: влетая в атмосферу Земли, макросы должны рождать характерный световой сигнал.

Но удача может улыбнуться и немного дальше от дома. Последняя экспедиция «Аполлона» оставила на Луне четыре сейсмометра. Среди прочего они могут зафиксировать и следы макросов. Эти сейсмометры достаточно примитивны; геологи-планетологи вынашивают планы по замене их на более совершенные приборы. Брюс Банердт из Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене (штат Калифорния, США) и его коллеги хотят установить на Луне более чувствительную сеть лунных сейсмографов.

Открытие этих мельчайших эффектов имело бы грандиозное значение. Может оказаться, что экзотические частицы, выдуманные физиками и являющиеся предметом их интенсивного поиска, просто не существуют, а обычные элементарные частицы, которые мы знаем и любим, могут сочетаться друг с другом самым причудливым образом.

<...>

¹ Хиральность (от др.-греч. χειρ — ‘рука’) — свойство молекулы не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением. — Прим. пер.