Книга Бытия. Общая история происхождения - Гвидо Тонелли

Во мраке этого странного мира рождаются формы материи еще более таинственные. Мы о них пока мало говорили, потому что и сами не знаем в точности, о чем речь. Оттого трудно определить их место в описываемой последовательности событий. Но в эпоху мутного мрака во Вселенной уже значительное количество темной материи.

Гипотеза, что во Вселенной присутствует большое количество не излучающей света материи, была впервые выдвинута в 1933 году швейцарским астрофизиком Фрицем Цвикки, одаренным тонкой интуицией и весьма язвительным чувством юмора. Рассказывают, что, когда другие ученые проявляли скепсис в отношении его теорий, он обзывал их “сферическими ублюдками”. Если те удивлялись такому прозвищу, он пояснял, что они “сферические”, потому что ублюдки, с какой стороны ни посмотри.

Занимаясь скоплением Волос Вероники, о котором нам сегодня известно, что оно содержит более тысячи галактик, Цвикки заметил: там есть нечто, не движущееся с той же скоростью, что и галактики на краю скопления. Движение этих галактик было невозможно объяснить распределением тех масс, которые обнаруживались благодаря излучению. Их гравитации не хватало, чтобы объяснить траектории наиболее быстро движущихся галактик на краю. Все выглядело так, будто в объеме скопления скрывалось значительно больше материи, чем можно было увидеть. Цвикки провел вычисления массы того, что он назвал темной материей, поскольку оно не излучает света и остается скрытым в космическом мраке. На протяжении долгого времени его теория остро критиковалась, а количество “сферических ублюдков” не обнаруживало тенденции сокращаться.

Переломить ситуацию помогла работа Веры Рубин, американского астронома, последовательницы Генриетты Ливитт, изобретшей метод измерения больших расстояний при помощи цефеид. Рубин была одной из немногих женщин среди астрономов, кому удалось получить доступ к большим телескопам еще в 1960-е годы. Вспоминают, что, когда она начинала работать на телескопе Паломарской обсерватории, ей пришлось организовать там для себя женский туалет, поскольку строители этой самой современной в мире обсерватории не предвидели, что среди ее сотрудников может оказаться женщина.

Вера Рубин систематически проводила измерения скоростей звезд в спиральных галактиках. Она начинала с измерений в туманности Андромеды и установила, что скорости движения вещества на периферии сопоставимы со скоростями внутренних звезд, что прямо противоречило ожиданиям, исходившим из предположения о зависимости гравитационного притяжения исключительно от светящегося вещества; в этом предположении скорость получалась значительно меньшей. Аналогичные измерения, проведенные для движения целых галактик внутри скопления, приводили к неизменному выводу: экстравагантный Цвикки был прав. Вычисления Рубин показывали: темная материя должна быть по меньшей мере впятеро тяжелее светящейся. Спиральные галактики должны быть пропитаны гигантской массой совершенно неизвестной материи, без которой они давным-давно бы развалились.

Во второй половине ХХ века экспериментальных данных о присутствии темной материи становилось все больше и больше. Самые разные методы исследования приводили к одному и тому же результату: если только удастся измерить скорости вращения облаков водорода, обволакивающих множество галактик, или если произвести множественные измерения с использованием гравитационных линз, то сразу будет получено и косвенное свидетельство присутствия темной материи. Существование гравитационных линз тоже было предсказано Цвикки, описавшим этот феномен как необходимое следствие общей теории относительности. Чудаковатый швейцарский астроном понял раньше других: значительная концентрация массы может деформировать пространство-время до такой степени, что возникнут оптические эффекты, сходные с искривлением лучей света в обычной линзе. Световые лучи, пересекающие такую деформированную область, могут приводить к самым невероятным наблюдаемым последствиям. Одна и та же звезда или даже целая галактика могут появляться на одном и том же снимке, полученном телескопом, два, три или даже четыре раза.

Эти призраки, эти раздваивающиеся образы, которые могли бы иного заставить усомниться, а уж не выпил ли он лишнего, обернулись на деле новым измерительным средством, позволяющим увидеть, в какой форме существует совершенно невидимая материя. И они тоже подтверждали присутствие большого количества темной материи во Вселенной.

Несмотря на накапливающиеся экспериментальные данные, становящиеся все более убедительными, несмотря на то, что никто уже не ставил под сомнение важность сделанных открытий, по причинам абсолютно непонятным Нобелевский комитет так и не согласился присудить Вере Рубин премию, которую она безусловно заслужила.

Сегодня мы знаем, что примерно четверть Вселенной состоит из темной материи, но никому пока не известно, что же это в точности такое.

Некоторые развивали гипотезу, что это может быть нейтринный газ, но, поскольку нейтрино слишком легкие, объяснить происхождение наблюдаемых гравитационных эффектов не получается. Если справедливыми окажутся какие-то суперсимметричные теории, то тут могут появиться целые семейства новых частиц, очень тяжелых, со странными названиями, они-то и помогут объяснить темную материю. Но пока ни одной суперсимметричной частицы не открыто, все разговоры о том, что пропитка для галактик состоит из нейтралино или из гравитино, не более чем чистые фантазии.

Открыта охота на любые тяжелые частицы, участвующие в слабых взаимодействиях и способные пролить свет на тайну. Все более изощренные эксперименты проводятся на больших подземных установках, новые аппараты отправляются на околоземную орбиту, новые частицы ищутся на самых мощных ускорителях. Но пока все тщетно.

Есть и те, по мнению которых надо сосредоточить внимание на нейтральных и очень легких аксионах, вместо того чтобы искать тяжелые частицы. И в этом снова чувствуется рука Цвикки: именно он, кажется, первым предложил это название, позаимствовав его у известного моющего средства 1950-х годов, поскольку новая частица нужна была для генеральной уборки. Аксионы – это призрачные частицы, исключительно легкие, предложенные для объяснения незначительных аномалий в распадах некоторых известных частиц и способные ко взаимодействиям почти исключительно благодаря гравитации. Но даже этой гипотезе пока нет подтверждения, и охота продолжается.

Каким бы ни оказалось решение загадки, можно с уверенностью утверждать, что темная материя включилась в работу в одной из предыдущих фаз, может быть, сразу после окончания инфляции. Охлаждаясь, как и все остальное, она стала показывать незначительную разницу температуры в распределении энергии, изначально идеально равномерном. Эта разница возникает из-за первичных квантовых флуктуаций, непропорционально увеличенных инфляционным расширением и влиянием турбулентного моря вездесущих фотонов.

Теперь же, в эпоху непрозрачности, мы представляем себе темную материю как некую тонкую сеть, похожую на черную, мягкую, но очень плотную паутину, которая со всем смешивается и все обволакивает. Как именно она распределена в пространстве, не влияет сейчас существенно на ее динамику, но уже совсем скоро запустится процесс ее сгущения, благодаря которому плотность материи будет увеличиваться вблизи крошечных флуктуаций энергии. Узлы наибольшей плотности этой тонкой паутины станут той самой канвой, где будет формироваться наш материальный мир. Там зажгутся первые звезды и взойдут семена галактик.

Пробил час для материи

Темное царство непрозрачности длилось так долго, что, казалось, уже