Считается, что впервые термин «темная материя» (matière obscure) появился в 1906 году в работах французского математика Анри Пуанкаре, где описывались странные особенности распределения скоростей обращения звезд вокруг центра нашей Галактики. С тех пор прошло уже 117 лет, но ученые до сих пор не могут сказать, из чего состоит эта загадочная материя и откуда она взялась. Известно только, что ее общая масса в нашей Вселенной минимум впятеро превышает массу «обычного» вещества и что она играет огромную роль во вселенской эволюции. Впрочем, это лишь подталкивает исследователей к раскрытию ее тайн.
Астрономия — это наука, основанная на отслеживании движения небесных тел. Человечество интересуется астрономией на протяжении всей своей истории. Во времена Возрождения, когда еще не была известна причина движения планет, шли споры о центре, вокруг которого они обращаются — Земля или Солнце. Изобретение Галилео Галилеем телескопа в 1610 году предоставило больше аргументов в пользу гелиоцентрической системы мира. Солидный массив планетных наблюдений Тихо Браге позволил его ученику Иоганну Кеплеру вывести три закона движения небесных тел в период между 1609 и 1619 годами. На основе этих трудов в конце XVII века Айзек Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения, который и объяснил причину именно такого поведения планет.
Почти через 100 лет после этого, в 1781-м, Уильям Гершель открыл новую планету — Уран. За годы наблюдений за этой планетой стало заметно, что ее движение отличалось от расчетного: неизвестная масса то замедляла, то ускоряла его. Природа бросила ученым новый вызов. Решение этой аномалии нашли в возмущениях другим, еще не известным телом, что и привело к открытию Нептуна в 1846 году фактически путем расчетов. После наведения телескопа на точку с вычисленными координатами вблизи нее действительно нашли еще одну планету.
Подобная ситуация была и с Меркурием — его движение также отличалось от расчетного. По аналогии, астрономы собирались найти планету между Солнцем и Меркурием, которая должна вызывать возмущение в движении последнего. Для нее даже придумали название «Вулкан», но увидеть его никак не могли. Эта проблема была решена «апгрейдом» ньютоновской теории гравитации эйнштейновской Общей теорией относительности в 1915 году. После этого Эйнштейн применил новую теорию ко Вселенной как целому. Решение уравнений в ней приводили к изменяющейся Вселенной. Перед этим, как и большинство ученых, он считал, что наш мир в целом неизменен во времени, поэтому добавил в уравнение Общей теории относительности коэффициент, который должен был обеспечить его статичность. Однако Александр Фридман показал, что даже с этим коэффициентом Вселенная должна расширяться либо сжиматься.
Открытие «темной составляющей»
В 30-е годы прошлого века американский астроном Фриц Цвикки наблюдал скопления галактик и обнаружил, что суммарная масса видимых объектов в таких скоплениях значительно меньше той, которую можно вычислить, исходя из скорости их движения. Разница в массах составляла до сотни раз. Это натолкнуло ученого на мысль о том, что там должно быть очень много неучтенной невидимой массы. Через несколько десятков лет Вера Рубин исследовала вращение отдельных галактик. Большинство их звезд находится в области вблизи ядра, поэтому там должна концентрироваться почти вся галактическая масса. Согласно ньютоновской механике, скорость обращения объектов по мере удаления от ядра должна уменьшаться. Но наблюдения показали совсем иную картину: линейная скорость звезд от средних расстояний и до видимых краев галактических дисков была практически одинаковой, заметно превышая теоретические значения. В этом исследовании отношения массы видимых объектов и вычисленной по вращению отличались приблизительно на порядок.
Перед астрономами снова возникла проблема: скорость движения наблюдаемых тел отличалась от теоретически предсказанной. Решение этого вопроса виделось аналогичным — должно было существовать что-то еще, чего ранее не заметили (или неверной оказывалась вся теория). Начали с поиска невидимой массы, которую назвали темной материей. Вначале считалось, что в ее состав входят лишь миниатюрные черные дыры солнечных масс и нейтронные звезды, коричневые карлики, одинокие планеты, блуждающие по галактикам, не будучи «привязанными» к какому-то светилу, RAMBOs (Robust Associations of Massive Barionic Objects), частицы пыли и газа и, наконец, нейтрино. MACHOs (MAssive Compact Halo Objects) и RAMBOs — достаточно массивные тела, но они слишком компактны и испускают мало света или другого излучения, чтобы их заметить. Поскольку подобные объекты проявляют себя через гравитационное взаимодействие, влияя на движение видимых тел, эффективным способом их обнаружения является гравитационное линзирование, которым пользуются до сих пор. Но достаточно быстро стало ясно, что массы этих объектов недостаточно для решения данной проблемы.
Новые инструменты
После этого акцент поисков сместили в сторону элементарных частиц. Причем настолько, что выделили отдельный класс WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles — слабовзаимодействующие массивные частицы). Из четырех фундаментальных взаимодействий (слабое ядерное, сильное ядерное, электромагнитное и гравитационное) они участвуют только в первом и последнем. Из реальных частиц с такими качествами в то время науке были известны только нейтрино, но невыясненным оставался вопрос об их массивности: имеют ли они массу покоя или же они «безмассовые», как фотоны. Чтобы получить ответ, строились нейтринные обсерватории для непосредственного детектирования этих неуловимых частиц глубоко под землей. В 1998 году ученые обнаружили, что нейтрино может превращаться в разные типы, а значит — массу они все-таки имеют. Хоть их и очень много (сквозь ваш ноготь каждую секунду пролетают десятки миллиардов нейтрино, образовавшихся в недрах Солнца), но их масса слишком мала. Это смутило ученых, но не остановило поиски в этом направлении.
Для непосредственного детектирования WIMPs с начала XXI века строятся подземные обсерватории в разных уголках планеты. В одной только лаборатории Гран Сассо в Италии осуществляется несколько экспериментов по прямому обнаружению частиц «темной материи» (DAMA/NaI, DAMA/LIBRA, CRESST, XENON и другие). Оборудование для них расположили под землей, чтобы экранировать чувствительные детекторы, регистрирующие взаимодействие загадочных частиц с веществом, от других компонентов космических лучей (прежде всего электронов и протонов). Тяжелый инертный газ ксенон сжижают и несколько тонн его заливают в контейнер, возле которого установлены детекторы. При взаимодействии WIMP с ядром ксенона выделяется энергия в виде фотона, регистрируемого детектором. В некоторых экспериментах вместо сжиженного инертного газа используют сцинтилляционные кристаллы (CRESST, CDMS, DAMA) в намного меньших количествах, но также охлажденные до чрезвычайно низких температур для обеспечения высокой чувствительности.
Основной цели этих экспериментов, то есть прямого обнаружения WIMPs, достичь пока не удалось, но провальными их тоже назвать нельзя, поскольку они помогли осуществить немало сопутствующих открытий — например, двойного электронного захвата, безнейтринного β-распада, наблюдения α-распада вольфрама-180, период полураспада которого оценивают в 1,8×10¹⁸ лет (для сравнения: возраст Вселенной не превышает 1,4×10¹⁰ лет), инженерных рекордов наподобие охлаждения до миликельвинов, достижения сверхпроводимости, фантастической чувствительности к одному фотону. Сделанные открытия позволили очертить новый предел для масс WIMPs.
Параллельно с экспериментами по прямому детектированию предпринимались попытки косвенного обнаружения частиц темной материи, основанные на том, что эти частицы могут аннигилировать между собой или просто распадаться, образуя высокоэнергетическое излучение (Х, γ). Этой задачей занимаются космические телескопы Fermi, XMM-Newton, Chandra. Их цель — выявить избыточное излучение тех областей Вселенной, где сосредоточено много массы (ядра галактик и галактические скопления). Кроме того, к поискам привлечен также Большой адронный коллайдер — для воспроизведения условий, в которых могла рождаться темная материя.
В конце XX века две группы ученых наблюдали за далекими галактиками. В соответствии с законом Хаббла, чем дальше расположены объекты наблюдений, тем быстрее они должны удаляться от нас за счет расширения Вселенной. В 1998 и 1999 годах были опубликованы результаты исследований, где движение галактик происходило не по этому закону. Отклонение попытались объяснить тем, что наш мир расширяется, но, поскольку он содержит много массы и еще больше невидимой массы, его расширение должно было бы замедляться гравитационными силами. Однако результаты наблюдений свидетельствовали о противоположном: Вселенная расширяется с ускорением.
Руководители научных групп, причастных к открытию — Сол Перлмуттер и Брайан Шмидт с Адамом Ризом — в 2011 году получили за него Нобелевскую премию. Причину ускоренного расширения назвали темной энергией. Но что именно приводит к такому поведению Вселенной, до сих пор остается неизвестным. Опять-таки, для объяснения этого явления предлагают ввести новое поле или модифицировать теории гравитации. Поскольку для описания Вселенной используют уравнения Эйнштейна-Гилберта из Общей теории относительности, прекрасно предсказывающей и воспроизводящей результаты наблюдений (как и ньютоновская гравитация в пределах Солнечной системы, за исключением Меркурия), их действительно собирались модифицировать, однако более популярными стали гипотезы о существовании до сих пор не обнаруженного физического поля.
Теоретические объяснения
Тут уместно вспомнить о неудачной попытке Эйнштейна «стабилизировать» Вселенную с помощью дополнительного коэффициента в его формуле. Он неожиданно получил хорошую перспективу в описании ускоренного расширения Вселенной. Теперь его называют Λ-членом или космологической постоянной и интерпретируют как энергию вакуума, присутствующую повсюду и «распирающую» собой пространство. Больше пространства во Вселенной — больше энергии вакуума — еще больше пространства.
Вторая по популярности гипотеза — физическое поле, заполняющее собой все пространство и описываемое как идеальная несжимаемая жидкость. Давление этой жидкости (которое и вызывает расширение) связано с ее плотностью, входящей в уравнение ОТО единственным параметром — так называемым параметром плотности ω, способным принимать любые действительные значения. Но физика налагает на него определенные ограничения: поскольку расширение происходит с ускорением, эта величина должна быть меньше, чем -⅓, а при ω=-1 поле становится идентичным космологической постоянной. В пределах -1<ω<-⅓ такое поле называют квинтэссенцией, тогда как ω<-1 — это «фантом». Разница между этими сущностями состоит в сценариях будущей Вселенной. При квинтэссенции ее расширение когда-нибудь сменится сжатием (т.е. Вселенная наконец коллапсирует, а дальше будет «пульсировать»); при «фантомной» темной энергии ускоренное расширение будет и далее ускоряться, а затем приведет к Большому Разрыву — оно начнет затрагивать все меньшие масштабы, вызвав в конце концов распад даже стабильных ядер и субъядерных частиц. Согласно последним наблюдениям, значение этого параметра близко к -1 (а следовательно, расширение Вселенной будет происходить вечно), поэтому космологическая постоянная является самым перспективным кандидатом на роль темной энергии. Кроме того, эта энергия почти наверняка проявляла себя в раннем прошлом Вселенной. Она способна объяснить явление космологической инфляции — мгновенного и сверхбыстрого расширения пространства практически сразу после Большого Взрыва.
Кроме того, она объясняет изотропию реликтового излучения, исследованного аппаратами COBE, WMAP и Planck. Существует гипотеза (в ее основе лежит квантовая механика), что темная энергия возникает из-за спонтанного образования и аннигиляции пар виртуальных частиц и античастиц. Но значение космологической устойчивости для этих событий, согласно квантово-механическим вычислениям, превышает наблюдаемое более чем в гугол раз (ориентировочно в 10¹²⁰ раз).
Хотя темная материя и темная энергия по своей сути противоположны, существуют неоднократные попытки описать эти феномены в рамках единого подхода. Достаточно известной такой попыткой, датированной 2018 годом, является статья британского ученого Джейми Фарнса, где он использует понятие жидкости с отрицательной массой для объяснения темных сущностей. Кроме того, он предположил, что отрицательная масса непрерывно рождается во Вселенной. Каждая из этих идей по отдельности (отрицательная масса и непрерывное создание массы) уже возникала в космологии, но не выдержала проверки наблюдениями. Здесь же автор объединил эти две концепции.
Работу Фарнса научное сообщество восприняло неоднозначно. Критика касалась большого количества допущений, сделанных в ней — например, странного взаимодействия отрицательных масс (если положительные массы притягиваются между собой, то, по аналогии с электрическими зарядами, отрицательные массы также должны притягиваться, а положительные и отрицательные — отталкиваться, однако в статье было наоборот: «+» и «-» притягивались, а «-» и «-» отталкивались).
Перспективы исследований
Следует понимать, что темная материя и темная энергия — это как легендарное «42»: этими понятиями описывают конкретные наблюдаемые явления (быстрое обращение звезд в галактиках, галактик в скоплениях и ускоренное расширение Вселенной), истинная причина которых до сих пор остается неизвестной. Несмотря на это, мы можем делать предположения и предсказания определенных феноменов, так или иначе соответствующие другим наблюдениям. На данный момент лучше всего описывают Вселенную космологическая постоянная (Λ) в роли темной энергии и «холодная» темная материя (CDM) с частицами, движущимися с малыми скоростями относительно скорости света. Совокупно их называют ΛCDM-моделью.
Говоря о темной материи, стоит отметить, что теперь этот термин означает гипотетические «невидимые» частицы, но отнюдь не тела, состоящие из «нормального» барионного вещества (в состав которого входят протоны и нейтроны), и тем более не антиматерию — частицам темной материи может соответствовать своя темная антиматерия, и при взаимодействии они также будут аннигилировать, таким путем проявляя себя для наблюдателей, ведущих их последовательные поиски. ΛCDM-модель Вселенной, согласно имеющимся данным, предполагает наличие примерно 68% темной энергии и 27% темной материи, а остальные 5% приходятся на барионную материю, из которой и состоит все, что можно увидеть собственными глазами или зарегистрировать в каком-либо спектральном диапазоне. Для лучшего понимания невидимых 95% требуется больше наблюдений лучшего качества. К ним уже приступил космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), способный заглянуть гораздо дальше в прошлое Вселенной, чем его предшественник Hubble, а летом 2024 года должен начать работу наземный гигант LSST (Large Synoptic Survey Telescope) с 8,5-метровым зеркалом, названный в честь Веры Рубин.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
