Темная материя давно уже стала одной из популярнейших тем научных новостей. При этом суть исследований ученых, пытающихся что-то о ней узнать, и тем более, как они согласовываются между собой, обычно крайне трудно понять. Но мы все же попытаемся во всем этом разобраться.
Проблема скрытой массы
Темная материя — научная проблема, по решению которой почти еженедельно выходят статьи. При этом практически каждая вторая из них представляется как сенсационное решение по крайней мере части этой загадки. Авторы публикаций представляют свои результаты как свидетельство того, что теперь-то точно понятно, что она существует и состоит из… вот здесь есть несколько вариантов, и у разных авторов они свои.
Все вместе это выглядит очень странно и сложно, особенно если попытаться вчитаться в сущность исследования. Но если начать с самого начала, то все становится более понятным.
Началась история темной материи с несколько иного термина — скрытой массы. Классическая астрономия всегда наблюдала не только яркость объектов на небе, но и их движение. Пока ученые просто пользовались квадрантами и телескопами, можно было только примерно догадываться о размерах светил.
Однако в XVII веке Исаак Ньютон и Иоганн Кеплер доказали, что движение небесных тел подчиняется действию тех же сил, что и любых предметов на Земле. И мощнейшей из этих сил является гравитация. Поэтому, зная, как со временем изменяется вектор скорости небесного тела, можно вычислить, как тяготение соседей действует на него. Следовательно, установить их массы и предсказать, как траектории тел будут меняться в будущем.
В XIX веке оказалось, что движение внешних планет, и в первую очередь Урана, существенно отличается от предсказаний. Объяснение могло быть одно — где-то существует скрытая масса, гравитационное действие которой изменяет орбиту других тел.
А раз масса есть, нужно ее отыскать. Именно эти поиски привели к открытию Нептуна, Плутона и пояса Койпера. И именно на идее поиска скрытой массы базируются современные поиски девятой или десятой планеты.
Темная материя и барионное вещество
В XX веке уже наблюдение за Млечным Пути и галактиками за его пределами заставили вспомнить о скрытой массе. Так как согласно все той же физике Ньютона и Кеплера, когда огромный диск, состоящий из множества отдельных крошечных частиц, вращается вокруг определенной точки, скорость движения его элементов должна зависеть от плотности вещества в этой зоне.
Во Млечном Пути плотность звезд плавно снижается от центра к краям, поэтому скорость их движения должна падать пропорционально квадрату расстояния от оси вращения. Но все наблюдения показывали, что, начиная с определенного расстояния от центра Галактики, скорости звезд и туманностей остаются почти одинаковыми так, будто существует какая-то скрытая масса, которая простирается гораздо дальше, чем звезды и туманности.
И это не единственный случай. Еще в 1933 году Фриц Цвикки обнаружил, что в скоплении Волос Вероники наблюдается чрезвычайно большое разбегание радиальных скоростей. По установленным им значениям оно давно должно разлететься в разные стороны, но что-то держит его вместе. И, похоже, здесь тоже не обошлось без скрытой массы. И масса эта должна быть в несколько раз больше, чем все, что имели объекты, которые можно было бы рассмотреть в телескоп.
В первой половине XX ученые уже гораздо больше знали о возможности наблюдения объектов на разных длинах электромагнитных волн, поэтому в качестве одной из экзотических гипотез была высказана идея темной материи — вещества, никак не проявляющего себя ни на каких частотах, но при этом активно взаимодействующего с остальной Вселенной благодаря силе тяготения.
Однако сначала она показалась ученым слишком экзотической, потому что такое вещество было бы чем-то, что никто и близко не видел на Земле, а, по Ньютону, в космосе все должно быть тем же, что и на Земле.
В конце концов, Нептун, в свое время ставший решением проблемы скрытой массы в Солнечной системе, состоит из той же барионной материи — протонов, нейтронов и электронов, что и человеческие тела. Поэтому логично, что и гало галактик, те же невидимые, но массивные компоненты звездных систем, должны состоять из чего-то привычного.
В течение 40–70-х годов астрономические инструменты быстро развивались. Астрономы начали наблюдать звездное небо в инфракрасном, ультрафиолетовом, радио- и других диапазонах и действительно обнаружили кучу газа, пыли и звезд, которых раньше не видели. Но их было явно мало для того, чтобы быть всей скрытой массой.
При этом физики за это время также немало продвинулись в понимании строения вещества, и стало понятно, что какую форму барионная материя не приобрела бы, вероятность того, что она не будет излучать ни фотонов любой частоты, ни нейтрино, приближалась к нулю.
В 1970-е годы ученые исследовали реликтовое излучение и убедились, что оно относительно изотропно, а значит, в начале наша Вселенная должна была быть полностью однородной. Но в нем все же образовались гигантские скопления галактик. За 13,7 млрд лет такие гигантские неоднородности должны возникнуть только благодаря существованию вокруг галактик гало, состоящих из чего-то, никак себя не проявляющего в электромагнитном спектре, но при этом имеющего массу, а следовательно, и гравитацию, превышающую видимую часть Вселенной.
Чем темная энергия отличается от темной материи
В 90-е годы возникла новая проблема. Развитие теоретических представлений о начальных этапах развития Вселенной привело к установлению того факта, что его кривая близка к нулевой. Но для этого плотность материи должна иметь определенную величину, которой она, по наблюдениям, не имела. И даже если добавить в обычную материю темную, их вместе все равно было мало.
К тому же астрономы провели очень много измерений расстояний до очень дальних галактик и пришли к выводу, что в течение миллиардов лет скорость расширения Вселенной увеличилась, и это возможно только в том случае — если бы в ней было что-то, что заставляет галактики разлетаться быстрее.
В который раз возникла проблема скрытой массы, и на этот раз нужно было придумать совсем что-то экзотическое. Что-то, что имело бы массу или энергию (по Эйнштейну, они тождественны), но при этом вообще бы не участвовало ни в каких взаимодействиях, а только влияло бы на кривую пространства и скорость расширения. Это что-то получило название темной энергии.
Итак, современные представления о распределении массы во Вселенной пока выглядят следующим образом. Приблизительно 68–74% приходится на темную энергию, и что она собой представляет, никто даже не пытается особо представить. 22–26% — темная материя, те же частицы, которые проявляют себя только гравитацией. 4,5–5% — обычная барионная материя, причем звезды, планеты и туманности в галактиках — всего около 0,5%, а остальные — межгалактический газ.
Теории темной материи
Выяснив все это, следует вернуться к основному предмету спора ученых за последние четыре десятилетия. Какими же частицами представлена черная материя? Единства в этом вопросе нет и в помине. Некоторая часть исследователей вообще считает, что все вышеприведенные теоретические построения ошибочны, и можно найти объяснение поведению галактик и их скоплений вообще без скрытой массы.
Еще некоторая часть ученых предполагает, что скрытая масса, называемая темной материей, все же есть, но она на самом деле состоит из привычных нам частиц. Речь идет о так называемых MACHO — массивных компактных объектах гало. Это могут быть объекты уже известной природы, нейтронные звезды, белые и коричневые карлики, планеты — все, что при размещении за пределами галактического диска, будет излучать очень мало света, но при этом совокупно иметь немалую массу.
Многочисленные исследования ставят под вопрос утверждение, что MACHO может быть достаточно для объяснения всех явлений, которые сейчас приписывают темной материи. Однако точку в этом споре до сих пор так и не поставили.
Наконец, есть много теорий по поводу собственно не барионной темной материи. И здесь тоже у ученых нет полного единства. Ибо прежде чем задумываться о конкретном типе частиц, следует разобраться, были ли они в начале Вселенной горячими или холодными, когда отделились от остального вещества.
В первые секунды после рождения наша Вселенная была очень горячей. А температура — это скорость движения частиц. Поэтому когда составляющие темной материи выделились из моря энергии, они могли иметь скорости, близкие к световой (релятивистской) или значительно меньше. В первом случае мы говорим о горячей темной материи, во втором — о холодной.
Если темная материя была горячей, то с кандидатом на роль ее составляющей проблем нет — это обычные нейтрино. По крайней мере, они во всем соответствуют ожиданиям и чего-то подобного пока никто не придумал.
Однако с «горячей теорией» есть другая проблема. Она предполагает, что крупномасштабная структура галактических скоплений, та же, что и породила саму теорию темной материи, формировалась «сверху вниз», то есть самые большие и общие элементы — сначала, а мелкие, типа нашей местной группы и отдельных галактик, — в последнюю очередь. Однако наблюдения свидетельствуют, что все происходило наоборот.
Поэтому сейчас понятие темной материи в основном объясняют на основе «холодной теории». Она имеет некоторые небольшие несоответствия тому, что мы наблюдаем во Вселенной, но в целом очень неплохо описывает все, что происходило в течение 13,7 млрд лет его развития. Однако с ней есть другие проблемы.
Из каких частиц состоит темная материя
Главная проблема с холодной темной материей состоит в том, что у современной Стандартной модели просто нет элементарных частиц, из которых она могла бы состоять. Ведь это должно быть что-то достаточно тяжелое и при этом такое, что с обычными протонами, нейтронами и электронами не сталкивается и фотонов не порождает. К тому же оно еще должно быть достаточно стабильным, чтобы не выдавать себя при распаде.
Или по крайней мере теоретическая частица темной материи должна делать что-то из вышеперечисленного, но очень редко. Собственно, на последнее все, кто темной материей занимается, очень рассчитывают. Дело в том, что искать что-то, что никто не видел и никак себя не проявляет — это очень плохо. Причем плохо не с точки зрения Эйнштейна или Ньютона, а с точки зрения науки в целом.
Вот почему каждый раз, как кто-то из ученых, предлагает новое объяснение того, что собой представляет темная материя, речь идет о взаимодействии с обычным веществом, последствия которого астрономы могли бы наблюдать.
Существует несколько основных версий того, что представляют собой частицы темной материи. Первый — слабо взаимодействующие массивные частицы или WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). По сути это не одна, а несколько вероятных частиц, к примеру, нейтралино, предусмотренные теорией суперсимметрии. Считается, что они могли рождаться в начале существования Вселенной и продолжают существовать до сих пор, лишь иногда распадаясь, и именно продукты этого распада мы можем наблюдать.
Чаще всего на роль WIMP претендует нейтралино — частица, которая очень похожа на нейтрон, но гораздо тяжелее его. Другой кандидат — стерильные нейтрино. Проблема лишь в том, что существование этих частиц предусмотрено теорией суперсимметрии, а она, по результатам экспериментов на Большом адронном коллайдере, подвергается сомнению.
Другой возможный кандидат на роль частицы темной материи — аксион. В отличие от нейтралино и стерильного нейтрино, его существование никакими экспериментами под сомнение не ставится. Эту частицу придумали для того, чтобы решать некоторые проблемы в квантовой хромодинамике, и целый ворох теорий включают его в себя и дают более или менее точные предсказания того, какие эффекты могут помочь его определить.
Все теории согласны с тем, что аксион должен быть нейтральной частицей, которая намного легче WIMP, почти не вступает в электромагнитное взаимодействие и распадается на два фотона.
Есть также теории, что черная материя состоит не из одного, а из нескольких видов частиц. В этом случае каждый из них можно обнаружить в отдельном эксперименте. И объяснять они могут разные явления, наблюдаемые во Вселенной.
Несколько отдельно от всех других теорий холодной темной материи следует упомянуть первичные черные дыры. В современной Вселенной объекты, гравитация которых настолько велика, что образуется так называемый горизонт событий, который не могут преодолеть даже фотоны, могут формироваться только из звезд, масса которых в несколько раз превышает солнечную.
Однако в самом начале существования Вселенной колебания самого пространства-времени могли порождать черные дыры микроскопического размера. Если бы они дожили до нашего времени, то были бы отличными кандидатами на роль составляющих темной материи. Тем не менее существование такого явления как излучение Хокинга ставит эту теорию под вопрос. За 13,7 млрд лет по крайней мере самые маленькие из них должны полностью испариться. Причем переход их массы в излучаемую энергию мы должны фиксировать.
Так о чем спорят ученые?
Если подытожить все вышесказанное, современная дискуссия вокруг темной материи выглядит следующим образом. Существует противоречие между наблюдаемым поведением галактик и их скоплениями и предсказаниями по нему. И она очень похожа на случаи, когда где-то скрытая масса, только на этот раз невидимого вещества должно быть в несколько раз больше, чем видимого.
Сам факт наличия проблемы сомнений не вызывает. Однако не все ученые разделяют даже мнение, что дело в скрытой массе, вместо этого выдвигая более экзотические идеи. Большинство ученых, которые согласны с общепринятой трактовкой причин, согласны также и с тем, что большую часть материи Вселенной мы не видим, потому что она состоит из чего-то, что с привычной нам материей не взаимодействует.
И тут возникает проблема, потому что надо описать свойства этого чего-то, что никто не видел, и предсказать такие ситуации, в которых это что-то может себя проявить. И все это в условиях, когда в Стандартной модели просто нет элементарной частицы, которая бы имела точно такие свойства, как надо.
Вот здесь и начинается весь аттракцион с расчетом возможности существования определенных частиц и попыток установить, какие из их возможных взаимодействий учёные могли бы в принципе наблюдать. Ситуация осложняется тем, что в зависимости от типа частицы темной материи могут проявлять себя только за пределами Галактики, внутри нее, а также на Земле. Ибо никто точно не может сказать, есть ли темная материя рядом с нами или нет.
Именно поэтому публикации о темной материи напоминают мозаику. В каждой из них авторы строят модель своего типа частиц (аксионов или WIMP) и описывают рецепт, как их можно было бы увидеть. При этом рецепты эти достаточно сложны в стиле «обнаружить в лесу колебаний электромагнитного спектра белочку, которая единственная является проявлением небарионной материи.
Вполне возможно, что среди десятков уже опубликованных рецептов действительно тот, который в будущем действительно докажет, что существуют какие-то частицы, которых мы до сих пор не видели, но составляющие большую часть материи Вселенной. И, возможно, таких правильных рецептов уже несколько.
А может оказаться так, что темная материя — фантом, за которым ученые гоняются уже несколько десятилетий. Однако нельзя сказать, что они делают это зря. Ведь наука — это самое последовательное отвержение точно не работающих теорий в поисках действительно описывающей мир вокруг.
