100 великих загадок астрономии - Александр Викторович Волков

По мере того как все другие кандидаты отвергаются, все больший интерес у ученых вызывает «холодное небарионное вещество». Иными словами, это не открытые пока элементарные частицы, которые могут вступать лишь в гравитационное и слабое взаимодействие с видимым нами веществом. Никакого иного влияния они не оказывают; у них нет электрического заряда; они «не замечают» даже друг друга. Их условно называют – WIMPs, Weakly Interacting Massive Particles, «слабо взаимодействующие массивные частицы». Ведь эти долгоживущие частицы, как показывают расчеты, должны быть гораздо тяжелее протонов. Именно благодаря их огромным скоплениям Вселенная могла сформироваться по иерархическому принципу: от звезд к галактикам и далее к более крупным космическим структурам. Нейтрино же слишком быстро двигались для того, чтобы вокруг них могли образоваться сгустки.

Впрочем, согласно одной из гипотез, в ранней Вселенной даже слабо взаимодействующие частицы перемещались очень быстро. Лишь когда они поумерили свою скорость, началось зарождение галактик. Предполагается, что при распаде WIMPs могли возникать фотоны и электроны – они разрушали легкие атомные ядра, с которыми сталкивались. Возможно, поэтому во Вселенной содержится меньше лития, чем того требует теория.

«Как океан объемлет шар земной», так видимый мир объят темным веществом. Быть может, триллионы его частиц каждую секунду пролетают сквозь наши тела, а мы даже не замечаем этого – они для нас призраки в квадрате, в кубе, как и мы – для них.

Так что это за великие скрытники, никак не проявляющие себя? Уж не идет ли речь о суперсимметричных частицах? Как полагают исследователи, у каждой известной нам элементарной частицы есть свой двойник, например, у фотона – это фотино, у нейтрино – нейтралино. Открытие этих двойников станет очередным триумфом современной физики. Ученые могут даже описать некоторые свойства, которыми обладают суперсимметричные частицы. Они в несколько десятков – тысячу раз тяжелее протонов. До появления Большого адронного коллайдера современные ускорители не располагали достаточной мощностью, чтобы порождать подобные частицы. Но, возможно, в ближайшие годы они все-таки будут найдены. По крайней мере, результаты некоторых экспериментов, проведенных в последнее время, убеждают, что по ту сторону Стандартной модели действительно лежит «новая физика», которую есть смысл поискать.

В настоящее время созданы и специальные криогенные детекторы, чтобы обнаруживать такие редчайшие события, как столкновения слабо взаимодействующих частиц с атомными ядрами. Последние должны испускать излучение при этих коллизиях. Подобные эксперименты проводятся сейчас американскими, французскими, немецкими, британскими и итальянскими учеными.

Вот предполагаемый портрет одного из призраков. Частица, называемая «нейтралино», во многом похожа на нейтрино, но ее масса составляет от нескольких десятков до сотни масс протона. Движутся подобные частицы очень медленно, а потому температура тех скоплений, что они образуют, должна быть чрезвычайно низка. Если бы Вселенная состояла только из нейтралино, отмечают астрофизики, это была бы темная и «холодная» Вселенная, а если бы из нейтрино – то Вселенная была бы темной и «горячей».

Наконец, еще одна гипотеза допускает существование такой элементарной частицы, как аксион. Она, как ожидается, имеет очень малую массу – гораздо меньше массы электрона. Однако близ мощных источников гравитации, например, возле звезд, могут существовать более массивные, но зато очень недолговечные аксионы – они распадаются на пару фотонов. Их скопления могут стать источниками рассеянного рентгеновского излучения. Такие источники в самом деле обнаружены. Но пока неизвестно, имеют ли к ним отношение аксионы.

Компьютерный анализ распределения темного вещества, проделанный несколько лет назад американским физиком Чанг-Пэй Ма, показал, что оно не рассеяно во Вселенной беспорядочно. Во многом оно ведет себя, как обычное вещество. Оно образует галактики разной протяженности, причем преобладают небольшие галактики. Словно тени, они движутся среди обычных галактик, незримо сопровождая их.

«В отличие от барионной материи, которая концентрируется к центру Галактики, образуя классический диск, – пишет российский астроном Л.В. Ксанфомалити, – темная масса распределена более равномерно в гало, охватывающем Галактику гигантской сферой. В этом смысле вокруг и внутри нашей звездной системы находится еще одна галактика». Наш Млечный Путь, например, располагается внутри подобной сферы, которая в три раза больше его в поперечнике.

Однако опубликованные в 2010 году результаты наблюдения за тем, как распределены карликовые галактики в нашей Местной группе (руководил этим исследованием астроном Павел Кроупа, работавший в Германии и Австралии), ставят под сомнение модель, которая допускает существование темного вещества. Может быть, все-таки не верна механика Ньютона и ее следовало бы улучшить, модифицировать?

Вселенная состоит из темной энергии?

Еще в 1917 году, описывая Вселенную, Альберт Эйнштейн ввел в формулу «космологическую постоянную» – своего рода «антигравитацию», энергию, свойственную пространству как таковому. В то время большинство ученых были убеждены в том, что Вселенная пребывает в равновесии. Без этой же константы она неминуемо расширялась или сжималась. Искусным хитросплетением формул Эйнштейн очертил космос, словно рамкой. Портрет его был завершен.

Однако факты все-таки вмешались и потрясли теорию Эйнштейна до основания. Разлетающиеся вдаль галактики, словно стены крепости, отброшенные взрывом, смели прежние построения знаменитого физика. Он списал космологическую постоянную за ненадобностью. Лишь полвека спустя новые астрономические открытия убедили научный мир в том, что интуитивный вымысел Эйнштейна имел самое прямое отношение к реальности.

В конце ХХ века в научных кругах утвердилась уверенность в том, что существует некая «энергия», определяющая судьбу Вселенной, ее неуклонное расширение. «В мире присутствует не только всемирное тяготение, но и всемирное антитяготение», – пишет российский астрофизик А.Д. Чернин. Неизвестный вид энергии заполняет все пространство и вызывает взаимное отталкивание вещества. Природа этой энергии остается загадочной; она не может быть объяснена с позиций Стандартной модели космологии, поэтому ее и назвали «темной энергией». Это определение дал ей в 1999 году американский астрофизик Майкл Тернер.

По результатам наблюдений последних лет астрофизики создали новую модель Вселенной

Именно темная энергия считается теперь «мотором», приводящим Вселенную в движение. Она заставляет наш мир все быстрее расширяться. Она разбрасывает части космоса во все стороны, словно росток, пробиваясь из-под земли, раздвигает клейкие комки. Однако эта энергия столь же бесплотна, как тень, и призрачна, как мрак: она не взаимодействует с обычным веществом и не испускает электромагнитное излучение. Она равномерно распределена, и пока нигде не замечено сгустков темной энергии.

Открыли эту самую великую и неприметную стихию две группы ученых, наблюдавшие за отдаленными вспышками сверхновых звезд. В 1998 году руководители этих групп, американские астрономы Сол Перлмуттер и Адам Рис, а также их австралийский коллега Брайан Шмидт (в октябре 2011 года все они получили Нобелевскую премию по физике), опубликовали результаты исследования сверхновых типа Ia, взорвавшихся от 2 до 7 миллиардов лет назад. Речь идет о белых карликах, расстояние до которых мы можем точно определить. Оказалось, что они находятся на 10–15 % дальше, чем следовало бы, если бы расширение Вселенной замедлялось. Так ученые вынуждены были признать: что-то распирает космос, оказывает на него отрицательное давление.

Дальнейшие исследования вновь принесли сенсацию. В далеком прошлом Вселенная расширялась медленнее, чем теперь. Сила гравитации сдерживала бег видимой материи. «Наша Вселенная напоминает обычного автомобилиста: она то тормозит, увидев красный свет, то залихватски мчится, заметив зеленый», – так сформулировал краткую историю космоса Адам Рис. Роль светофора поочередно выполняли гравитация и антигравитация.

Около 7 миллиардов лет назад «включилась» последняя – то бишь темная энергия. Как показывают теоретические модели, она переборола силу, противодействовавшую ей. Ее плотность, как полагают, со временем не меняется, в то время как плотность обычного вещества падает, ведь космическое пространство становится все обширнее. С тех пор Вселенная неудержимо расширяется, хотя «мотор», приводящий ее в движение, по-прежнему спрятан за кулисами.

По результатам наблюдений последних лет – и, в первую очередь, исследований, проведенных зондом Уилкинсона, – астрофизики создали новую модель Вселенной. Согласно ей, Вселенная состоит на 72 % из темной энергии, на 23 % – из темного вещества, а также содержит около 4,6 % обычного вещества в самых разных его проявлениях – от атомов водорода, снующих в космическом пространстве, до сверхплотных нейтронных звезд – и около 0,3 % нейтрино.