Звезды, галактики: нам известны лишь 5% Вселенной. Все остальное, похоже, состоит из неизвестной черной материи и еще более таинственной темной энергии.
— Почему наши космологические модели нуждаются в черной материи?
— Весь вопрос в равновесии. Возьмем, к примеру, вращение Луны вокруг Земли. Наш спутник притягивается Землей, а значит, со временем он должен был бы упасть на нее. Но этого не происходит, поскольку Луна движется с достаточной скоростью, чтобы центробежная сила уравновешивала силу гравитации. Кроме того, у нее довольно большая орбитальная скорость, чтобы удерживать ее в равновесном состоянии, не позволяя ни удаляться, ни падать. То же происходит с Землей, вращающейся вокруг Солнца. Будь оно массивнее, Земле пришлось бы вращаться быстрее, чтобы сохранять равновесие.
Астрономы проводят параллель со звездами. Известно, что они вращаются вокруг центра Галактики. Солнце совершает полный оборот за 200 миллионов лет. И снова можно сказать, что Солнце движется по стабильной орбите, поскольку его скорость достаточна, чтобы нейтрализовать галактическое притяжение. Но, наблюдая отдаленные звезды, мы заметили, что их скорость значительно выше. Слишком высока по отношению к чему? Ибо они также находятся в равновесии между содержащейся в них материей и материей Галактики. Эта материя должна обладать довольно мощной силой притяжения, чтобы уравновесить центробежную силу, возникающую от их скорости.
Но когда суммируют всю видимую материю между звездами и центром Галактики — туманности, звезды и т. д., — становится ясно, что ее мало для обеспечения равновесия. Звезды падают слишком быстро, и их скорость намного выше простой орбитальной скорости.
— Почему же это происходит?
— Между звездами и центром Галактики имеется значительно больше материи, чем мы видим, иначе звезды бы удрали. Это — самый простой способ объяснить понятие черной материи: мы вынуждены призывать на помощь наличие невидимой материи, природу которой мы не знаем. Она не испускает света, но обладает силой гравитации, как любая материя в соответствии с законами Ньютона и Эйнштейна.
— Каковы лучшие кандидаты на роль этой невидимой материи?
— Их мало. Французские, американские, польские ученые попытались выяснить, нет ли некоторого количества малых массивных и темных звезд в нашей Галактике или в других. Для обнаружения этих звезд, названных коричневыми карликами, астрономы воспользовались техникой гравитационных микролуп: свет звезды может отклоняться в присутствии невидимого массивного объекта между ними и нами. Несколько таких звезд обнаружили, но общий итог равен примерно 5% по сравнению с ожидаемым результатом. Их недостаточно, и они довольно далеки, чтобы объяснить наличие черной материи.
Долго шла дискуссия о наличии «каши» — почему бы не быть малым метеоритам? — разбросанным в пространстве. Но подобное решение ставит новую проблему, ибо небесные булыжники состоят из тяжелых атомов, которые обязательно производятся звездами. Но во Вселенной слишком мало производителей тяжелых атомов, чтобы образовать такое их количество. Будь так, они излучали бы столько света, что небесный фон был бы очень ярким. Но ночь темна, а значит, и нет такого количества звезд, чтобы освещать небо.
Все поколения звезд, сменявшие друг друга до сегодняшнего дня, произвели всего 2% средней массы Вселенной в тяжелых атомах. Во Вселенной, в основном, имеется водород (90%) и гелий (примерно 10%). Из гелия камня не сотворить. Для изготовления плотных объектов нужны кислород, кремний, железо, магний, составляющие едва заметную часть материи. Чтобы их наблюдать, надо в
Некоторые ученые считают, что это может быть газообразное вещество, как воздух, состоящий из движущихся частиц. Идея естественная, но надо идентифицировать частицы, составляющие такую материю. Кандидатов несколько. Начнем с нейтрино, элементарных частиц, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Появившиеся в начале Вселенной, они продолжают рождаться в ядерных реакциях в сердце звезд. Но их масса недостаточна, чтобы объяснить черную материю.
Очевидность в том, что материя, из которой мы состоим — нейтроны, протоны и электроны, — представляет собой всего несколько сотых долей Вселенной. У темной материи должна быть иная структура. Это открывает широкое поле для исследований: что это такое, сделанное не так, как мы, но воздействующее своим гравитационным полем?
Физики-ядерщики говорят о гипотетической частице, названой «нейтралино». Она должна иметь массу, примерно равную массе протона, но без электрического заряда, и обладать слабым взаимодействием с материей, как и нейтрино. Но ее надо обнаружить в лаборатории, чтобы подтвердить ее существование.
С некоторого времени популярным кандидатом стала другая частица — аксион. Похоже, итальянцам удалось ее обнаружить. Но расчеты носят предварительный характер. Для подтверждения или опровержения этого открытия надо дождаться, чтобы опыты провели разные и соперничающие группы ученых. И с использованием иных технологий, ибо любая технология не застрахована от неожиданных выводов и инструментальных ошибок. Но если аксионы действительно зарегистрированы итальянцами, это будет большой шаг вперед. Впервые у нас появится стоящий кандидат, который будет соответствовать наблюдениям.
А пока среди частиц у нас нет сертифицированного кандидата. Мы
— Как разделить кандидатов?
— Идея состоит в том, чтобы выдвигать гипотезы и смотреть, противоречат ли они наблюдениям. Гипотеза коричневых карликов не выдержала опытов с их обнаружением.
Если вы считаете, что темная материя состоит из «каши» или песчинок, у вас быстро возникнет проблема их производства, ибо звезд не хватает. Для каждого кандидата надо определить противоречия. Была выдвинута уже сотня гипотез для объяснения черной материи, но ни одна из них не соответствует известным вещам, приемлемым с точки зрения наблюдений. Известно только, что она составляет примерно 25% плотности Вселенной и не блестит.
Можно также задаться вопросом, имеет ли эта материя, которая взаимодействуют через гравитацию, иные взаимодействия, которые могли помочь в производстве первых звезд. Пока ничто не позволяет так считать.
Возьмем гипотезу черной материи, взаимодействующей только через гравитацию. Каковы будут последствия? Прежде всего, согласно космологическим моделям, должно быть значительно больше галактик-спутников, чем мы наблюдаем. Млечный путь, к примеру, должен был бы сопровождаться сотней галактик-спутников,
а нам известны только две или три.
К тому же, эта черная материя должна быть сосредоточена в сердце галактик. Эта материя, которая сама себя притягивает, должна была бы падать к центру галактик и создавать там настоящий сгусток черной материи. А это, похоже, не так.
Вместо концентрации в центре, она довольно равномерно распределена в Галактике. Если только у этой черной материи есть другие взаимодействия, а не только гравитационные. Сегодня это — основное направление в изучении черной материи. Выдвинуто множество гипотез, делаются расчеты, чтобы выяснить, существуют ли эти иные взаимодействия и могли ли они иметь влияние на образование и эволюцию звезд, галактик.
— Уверены ли мы, что располагаем хорошей теорией гравитации?
— Еще один очень важный вопрос. Полна ли теория гравитации? Утверждение, что существует черная материя, предполагает равновесие между центробежными и центростремительными силами и покоится на теории гравитации. Если в ней есть пробелы, тогда черной материи можно исчезнуть. Многие работают в этом направлении, но ничего нового пока не появилось.
До сих пор теория гравитации с блеском выдержала все эксперименты. Но, быть может, вопрос в масштабе. Эта теория, как мы знаем, прекрасно работает в масштабе солнечной системы. Именно в этих рамках появилась теория Ньютона. Но действительна ли она для более дальних расстояний?
Весь вопрос в этом. Пока у нас нет подозрений по поводу ее неэффективности в больших масштабах, но это остается областью исследований.
Может, новая теория гравитации позволит расстаться с необходимостью черной материи? Эта гипотеза сейчас становится все менее и менее вероятной. Работа продолжается.
— Вызывает ли воображение физиков, «изобретающих» новые частицы, столь же сильные мечты, как галактики и звезды?
— Да. В то же время этот результат воображения есть попытка решить сегодняшние проблемы физики частиц. В этой физике есть несоответствия, аномалии, и она явно не полна. И теоретики пытаются создать более общие теории, могущие дать ответ.
Но все теории предполагают существование новых частиц вроде нейтралино. Эти поиски не просто поиск экзотики, а необходимость лучше понять нашу Вселенную и решить трудности физики. В этой области проглядывается двойной интерес: интерес физиков, желающих доказать существования некоторых типов частиц для решения теоретических проблем, и интерес астрофизиков, которые хотят, чтобы эти частицы составляли черную материю.
— Можно ли вообразить, что существуют иные звезды, состоящие из экзотических частиц?
— Почему бы и нет? Но такие звезды были бы обнаружены опытами с гравитационными микролупами. Ибо если такие звезды существуют, при любой экзотике их частиц, они должны иметь гравитационное поле, и их можно обнаружить, если их размеры превышают размеры Юпитера. Напротив, если звезды из этих частиц не больше Луны, никто в настоящее время не может отрицать их существование. Просто надо, чтобы эти экзотические частицы весьма слабо взаимодействовали с материей. Быть может, однажды удастся идентифицировать такие объекты. Будущее покажет. Ежегодно люди создают все более и более чувствительные датчики по массе частиц и их взаимодействий.
— Разве не огорчительно не знать, из чего состоит почти вся наша вселенная?
— Огорчительно! Вселенная неизвестна нам на 95%. Мы не знаем, что такое 70% темной энергии и 25% черной материи. Известная часть: из протонов, электронов и нейтронов составляет всего 5% Вселенной. Таково состояние на нынешний момент. Мы с волнением ждем будущих сюрпризов. Невероятно, что наука смогла доказать существование столь скрытых материй и веществ, как черная материя и открыть, что она составляет 95% Вселенной!
70 лет гипотез и экспериментов
Космические аномалии и нехватка массы
Все началось в 1930 г., когда швейцарский астроном Фриц Цвики сделал в Технологическом Калифорнийском Институте удивительное наблюдение. Он измерил скорость семи галактик в одном скоплении и обнаружил, что они движутся так быстро, что уже давно должны были разойтись в разные стороны. Если только некая неизвестная и невидимая масса удерживает их вместе. Так родилась проблема нехватки массы. Она продолжала обостряться по мере открытия новых космических аномалий. Так, через тридцать лет американский астроном Вера Рубин столкнулась с новой загадкой: на периферии галактик звезды вращаются с одинаковой же скоростью независимо от их положения в круговерти. На самом деле, скорость должна была бы уменьшаться с увеличением расстояния. И опять для запасного выхода обратились к темной и таинственной массе. Сегодня замеры первого света Вселенной, сделанные инструментами Кобе, Бумеранг или Вмап, подводят жестокий баланс: то, что мы знаем, относится всего лишь к 5% общей массы. Менее 25% состоит из пресловутой черной материи. Остальное образовано еще более таинственной энергией, которая ускоряет расширение Вселенной.
Картография черной материи
Но если точная природа черной материи неизвестна, ее можно угадать! Группа Яника Меллье из Парижского Института Астрофизики наглядно доказала это в 2000 г., опубликовав карту скрытой стороны Вселенной. «Мы поступили так, как выявляют линии магнитного поля железными опилками. Мы видим невидимое». В данном случае железные опилки заменены гравитационными лупами, эффект, предусмотренный теорией общей относительности Эйнштейна. Свет далекой галактики отклоняется массой, которую он встречает на пути к телескопам Земли. Искажения полученного изображения выдают невидимую материю. Так ученые «увидели» волокнистую структуру этой материи. Они также подтвердили, что она составляет примерно 25% от всей массы. С 2003 г. группа работает с самой большой CDD-камерой Мегакам, установленной на телескопе Франция-Канада-Гавайи, которая позволит в 20 раз увеличить точность и расширить наблюдаемую зону.
Три кандидата на недостающую массу
1. Мачо (если точнее, Макго — Массивные компактные гало-объекты)
Первыми предложенными кандидатами были самым естественными и условно возможными. Поскольку звезды являются основными носителями видимой материи, они могли быть и из черной материи. Стоило лишь представить себе мертвые звезды или «звезды-выкидыши», не сумевшие разжечь свой ядерный огонь. Первая гипотеза быстро отпала. Вторая держалась дольше, но тоже не выдержала испытаний… В первом случае, мертвые звезды должны были сиять в юности, а далеко смотрящие телескопы шли вспять времени и должны были их ощутить. Но самые молодые галактики сияют не больше нашей. Напротив, в конце жизни звезды имеют тенденцию взрываться супер-новыми, но никакой избыточной активности не было обнаружено. Трупы похоронили. Выкидыши исчезли не с такой легкостью. Некоторые из них были названы «мачо». Они должны были находиться в гало галактик и весить примерно десятую часть Земли, а их составляющие оставаться собранными в стабильный шар. Они не должны были быть слишком крупными (меньше солнца), чтобы ядерные реакции не поддерживались и даже не начались. Их обнаружение не было легким. Телескопы в Австралии и Чили десяток лет изучали миллионы звезд в гало галактик, чтобы выяснить, не искажен ли их свет звездами «мачо». В теории общей относительности любая масса искривляет световые лучи. И мачо должны были работать, как лупа. И хотя астрономы обнаружили микролупы, они отнесли их к другим звездам, лежащим на пути к нам, а не к «мачо». Не было обнаружено кандидатов, и их исключили из основного компонента гало. Точнее по статистике в массе гало действие объектов между десятой и целой массой солнца было оценено в 7%. Классическая черная материя, в основном состоящая из водорода и гелия, составляла бы менее 5% общей массы.
2. Маленькие нейтралы
Звезды состоят не только из протонов, нейтронов и электронов, которые не могут объяснить нехватку массы. Они имеют также частицу, чьи тайны еще полностью не раскрыты. Речь идет о нейтрино, частицы без электрического заряда, мало взаимодействующей с обычной материей, а потому трудно обнаружимой. Частица возникает во время ядерных реакций в звездах, а на Земле была обнаружена в реакциях ядерного распада. Ее существование было постулировано теоретиком Вольфгангом Паули в 1930 г., пока ее не обнаружили экспериментально через двадцать шесть лет. Позже физики поняли, что она в изобилии производилась во время Большого Взрыва. С тех пор Вселенная купается в них. Среди них те, что пришли издалека и великое множество тех, что звезды производят ежесекундно, и все эти миллиарды миллиардов нейтрино падают на каждый квадратный сантиметр Земли. Их существует три разных типа. Дефицит массы должен был бы ими покрыт! Увы, эта частица-призрак не очень тяжела. Когда ее «изобрели», у нее вообще была нулевая масса. Только с 1998 г. после японского эксперимента СуперКамоканде, изучавшего солнечные нейтрино, исследователи убедились, что она обладает массой. Но и та до сих пор еще окончательно не определена. Обратный отсчет для этой частицы еще не закончен, но ее участие в дефицитной массе лежит от 0,1 до 18% от всей массы.
3. Вимпс
(Wimps — Weakly interactive massive particle: Слабо взаимодействующая массивная частица)
Новых кандидатов запустило сообщество физиков для решения проблемы дефицита массы, но их найти не удается. Речь идет о частицах с очень слабым взаимодействием с материей. Как нейтрино или аксионы, их изобрели теоретики меньше для решения проблем космологии, сколько для решения лабораторных проблем. Главный вопрос: унификация разных сил природы: электромагнетизм, слабое взаимодействие (радиоактивность), сильное взаимодействие (то, что «держит» протоны). Стандартная модель, описывающая все частицы, недостаточна для подобной унификации. Поскольку она выдержала все опыты, было бы удивительно, чтобы физики по пути забыли какую-либо частицу. А потому надо менять модель. К чему они и приступили в
Если Ньютон ошибся?
Вдруг мы идем по ложному пути? Уже появились «нонисты», физики, опровергающие существующую модель. Ведь аномалия галактик или скоплений не является аномалией массы, это, прежде всего, аномалия динамики. Поэтому вместо поиска дефицита массы, лучше искать ее, по мнению нонистов, в новых уравнениях движения небесных объектов. И встряхнуть немного уравнения Исаака Ньютона и Альберта Эйнштейна… Самая известная из предлагаемых ересей по изменению парадигмы выдвигается Мордехаем Милгромом, еврейским ученым из Института Вейцмана. В начале
Тайна темной энергии
Тайна дефицита массы раздражает, но она не одна. Астрофизики давно удивляются потрясающей однородности и связности Вселенной. Даже исходная температура через 300 000 лет после Большого Взрыва, замеренная в разных направлениях одна и та же. Для решения проблемы они придумали сценарий, который быстро надувает Вселенную после ее появления, как суфле. Идея инфляции, предложенная в
