Читать книгу "Вселенная на ладони - Колин Стюарт"

Темная материя

Наиболее распространенным объяснением проблемы вращения является то, что существует некая дополнительная, незримая масса, скрывающаяся по всей Галактике таким образом, что мы не можем ее видеть. Эта темная материя обеспечивает дополнительную гравитацию, необходимую для удержания на орбите быстро перемещающихся звезд. Действительно, Оорт еще в 1930-х годах предполагал, что эта скрытая масса превышает видимый материал в соотношении три к одному.

Первоначальная идея, объясняющая этот феномен, состояла в том, что в Галактике содержится большое количество массивных астрофизических компактных объектов гало (МАКОГ). Астрономам нравятся их аббревиатуры. В сущности, МАКОГ – это тривиальные космические объекты наподобие черных дыр и нейтронных звезд, физически настолько малые, что их трудно увидеть, и настолько тяжелые, что они все вместе способны компенсировать недостающую гравитацию.[5]

Однако сегодня мы можем измерить дефицит массы намного точнее, чем во времена Оорта. То, что мы можем наблюдать, составляет лишь 10–12 процентов от всей массы Млечного пути. Такой разрыв слишком велик для того, чтобы МАКОГ могли его восполнить за счет собственных ресурсов. Время от времени мы можем зафиксировать МАКОГ, если они проходят на фоне далекой звезды и увеличивают свое свечение в результате гравитационного микролинзирования. Мы еще не наблюдали достаточное количество таких событий, чтобы сделать вывод о том, что популяций МАКОГ хотя в бы в какой-то мере достаточно для решения проблемы ротации.

В настоящее время астрономы придерживаются мнения, что темная материя может выступать в форме слабо взаимодействующих массивных частиц (СВМЧ). Слабо взаимодействующих – потому что они не взаимодействуют со светом (поэтому мы их не видим). Массивных – потому что они должны восполнить значительный дефицит гравитации. В отличие от МАКОГ, СВМЧ – это то, с чем мы никогда до этого не сталкивались. Они представляют собой совершенно новый тип материи, о которой только мечтали физики, исследующие элементарные частицы, чтобы объяснить вращение галактик.

Все, что мы видим вокруг себя, состоит из частиц, включенных в Стандартную модель – стандартный реестр, напоминающий кулинарную книгу для Вселенной, которую на протяжении многих десятилетий регулярно пополняли физики, исследующие элементарные частицы. Кроме того, никакое другое вещество в Стандартной модели не ведет себя так, как темная материя. Однако физики работали над дополнением к Стандартной модели, которое получило название суперсимметрии (мы уже встречались с ней, когда рассматривали теорию суперструн на странице 225). Согласно этой суперсимметрии, у каждой частицы из Стандартной модели имеется зеркальная частица. СВМЧ, возможно, являются наилегчайшими из этих суперсимметричных частиц – нейтралино.

Поиски СВМЧ

В заброшенной шахте на золотых приисках, на глубине 1,5 километра под Южной Дакотой, располагается резервуар с жидким ксеноном, прикрытый слоем из 70 тысяч галлонов воды. А в это время в Антарктиде демонстрируют готовность к работе внедренные глубоко под лед приборы для обнаружения. На Большом андронном коллайдере в Швейцарии сталкиваются друг с другом элементарные частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света. А над Землей каждые девяносто две минуты вращается по своей орбите экспериментальная станция AMS-02, привязанная к Международной космической станции (МКС). С помощью всех этих инструментов физики ведут поиски самого разыскиваемого объекта во Вселенной: СВМЧ. Если темная материя действительно является артефактом суперсимметрии, тогда физикам в ЦЕРНе, занимающимся исследованием элементарных частиц, необходимо найти доказательства того, что суперсимметрия – нечто большее, чем просто красивая теория, существующая только на бумаге.

Если СВМЧ на самом деле существуют, тогда они должны ударяться о ваше тело ежеминутно. Однако зафиксировать их, с учетом того, что вокруг вас вращается так много всего другого, – цель настолько же благая, насколько и невозможная. Итак, в шахте в Южной Дакоте аппаратура Большого подземного ксенонового (БПК) эксперимента прикрыта твердой породой и слоем воды. Эксперимент задуман с тем, чтобы уловить вспышки света, излучаемые потоком СВМЧ, из-за столкновений с ксеноном.

Приборы для обнаружения в эксперименте «Кубик льда», проводимого на Южном полюсе, таким же образом защищены замерзшей тундрой. Они пытаются уловить косвенные свидетельства существования СВМЧ. Если в Галактике имеется темная материя, тогда Солнце силой своей гравитации должно привлекать к себе некоторое ее количество по мере своего передвижения по Млечному Пути. Это означает, что СВМЧ заканчивают свою жизнь, сталкиваясь друг с другом глубоко внутри звезды. Согласно вычислениям, это привело бы к образованию высокоэнергетичных нейтрино, которые могли бы выбрасываться из Солнца – поиски именно этих частиц и являются задачей научного проекта под названием «Кубик льда».

И наконец, магнитный альфа-спектрометр (МАС‐02), на МКС, направлен в сторону перенасыщенного космическими объектами балджа Млечного Пути. Учитывая, что в этой области темная материя упакована более плотно, столкновения СВМЧ должны быть здесь обычным явлением. Предполагается, что эти события приводят к созданию каскада частиц, называемых позитронами (антивещество, эквивалентное электронам). Обнаружить излишки позитронов вблизи центра Галактики все равно что найти дымящийся пистолет. И что удивительно, взрыв позитронов все же был обнаружен. Однако даже это открытие не позволяет астрономам исключить возможность существования менее экзотических объяснений.

Космические аппараты, запущенные в рамках эксперимента МАС-02, вращающиеся по орбите на МКС, занимаются поисками резкого увеличения количества позитронов, вызванного столкновениями темной материи в недрах Млечного Пути

Снимок 1998–1999 годов аналеммы, изображенной на стекле витрины офиса Лабораторий Белла, Мюррей Хилл, Нью Джерси; статья Дж. Фисберна в Английской «Википедии».

Очевидно, что физики делали все возможное для того, чтобы уловить СВМЧ. Но результаты пока остаются весьма скромными. Эта концепция продолжает оставаться лучшей из всех существующих на данный момент, но если в ближайшее время астрономам не удастся фактически обнаружить эти частицы, им не останется ничего другого, как вернуться к своим планшетам. Сторонники другой идеи, совершенно отличной от этой, – МОНД – уже предчувствуют запах крови и готовятся к атаке.

Модифицированная ньютоновская динамика (МОНД)

Для того чтобы объяснить, почему наблюдаемой в галактиках гравитации недостаточно для наблюдаемой скорости движения их звезд, нам необходима темная материя. Поэтому мы придумали невидимую субстанцию, чтобы восполнить этот недостаток.

Но что, если мы в действительности неправильно понимаем смысл гравитации? Что, если нам кажется, что гравитации недостаточно, лишь потому, что мы в действительности не понимаем, как работают эти силы в масштабах больших галактик? Это ровно то, что утверждают сторонники модифицированной ньютоновской динамики (МОНД). Концепция МОНД утверждает, что гравитация не является универсальным законом, открытым Ньютоном: в случае ее применения к большим масштабам она требует соответствующей модификации. Эта идея была впервые выдвинута в 1983 году израильским физиком Мордехаем Милгромом.