Книга: Вселенная. Руководство по эксплуатации

I. Что такое темная материя?

I. Что такое темная материя?

Представляется, что наша Вселенная куда страннее, чем нужно. Например, мы обнаружили, что в ней царит загадочная темная энергия, а большинство остальной массы не имеет к нам никакого отношения, потому что состоит из некоей темной материи, которая не взаимодействует со светом (потому и темная), но является источником гравитации (потому и материя). Иначе говоря, это название если что и описывает, то лишь наше невежество. Это, прямо скажем, немногим лучше, чем заявить, будто гравитацию наколдовали феи.

Кое-кто из сообщества физиков сильно сомневается, что темная материя действительно существует, поскольку никаких частиц темной материи мы до сих пор не открыли. Астрофизики, в конце концов, честно делают свое дело и предлагают самые простые объяснения того, что они наблюдают, но ведь это не означает, что они обязательно правы. «Очевидная» на первый взгляд интерпретация не раз и не два оказывалась ошибочной. Очевидно, что планеты и звезды движутся вокруг Земли, и так и считали до 1500-х годов, когда Коперник предположил, что это Земля движется вокруг Солнца.

Некоторые скептики так рвутся избавиться от идеи темной материи, что предполагают нечто немыслимое — Или почти немыслимое: они заявляют, что Ньютон и Эйнштейн заблуждались. Было предложено множество теорий, которые пытаются подогнать эйнштейновские уравнения гравитации под данные наблюдений без опоры на всю эту жуткую темную материю. В последние годы большой интерес вызывали теории модифицированной ньютоновой динамики (Modified Newtonian Dynamics, MOND). Как известно, слово mond по-французски означает «мир»[135].

Основной ее принцип гласит, что на небольших масштабах, например в Солнечной системе и на Земле, гравитация действует именно так, как предсказывали Ньютон и Эйнштейн, однако на более крупных расстояниях, например в масштабе галактик и больше, все обстоит несколько иначе.

Мы не собираемся отстаивать общую теорию относительности только потому, что это любимое детище Эйнштейна. Он много в чем ошибался[136].

С другой стороны, общая теория относительности крайне «элегантна», а на жаргоне физиков это означает, что поскольку уравнения так просты, трудно представить себе, что они неверны. А принять MOND в ее нынешнем виде нам трудно, поскольку она предлагает вместо одной необъяснимой константы (количество темной материи) другую (масштаб, на котором гравитация из «нормальной» становится «модифицированной»).

Хуже того, при помощи MOND очень трудно объяснить все наблюдения, согласующиеся с наличием темной материи. MOND великолепно отвечает на вопрос, который стоит перед нами уже сто лет и заключается в том, что во Вселенной не хватает массы, чтобы удерживать вместе галактики и скопления звезд. Поскольку MOND решает эту задачу, нам не нужна никакая темная материя — по крайней мере так говорят.

Но и это еще не все! Наблюдения некоторых звездных скоплений, в частности скопления «Пуля», при помощи метода гравитационных линз недвусмысленно показывают, что существуют крупные объемы материи, никак не связанные ни со звездами, ни с газом. Наблюдения далеких сверхновых доказывают, что темпы расширения Вселенной меняются со временем, намекая на то, что материи в ней гораздо больше» чем объясняет наличие одной только барионной материи. Наконец, все свидетельствует о том, что с космологической точки зрения Вселенная плоская — что, в свою очередь, лишний раз подтверждает, что 85 % массы Вселенной — темная.

Мы готовы поставить все наши деньги за то, что существует частица, на которой ясно написано «темная материя», — частица, которая, как сказали бы французы, станет le fin du MOND — «концом света».

Примем за данность, что темная материя существует, но умеет ловко прятаться. Хотя мы еще не знаем, что такое темная материя, мы кое-что знаем о том, чем она быть не может. Заряда у нее нет, иначе она бы взаимодействовала со светом. Кроме того, это означает, что ее нельзя ощутить. Все, что вам случалось трогать, как-то «ощущается», поскольку электрические поля вашей руки отталкиваются от электрических полей всего того, что вы пытаетесь потрогать. Если нет электрического поля, ваша рука пройдет сквозь предмет, а вы ничего и не заметите.

В стандартной модели физики имеется лишь две известные частицы, которые можно подозревать в причастности к темной материи, — нейтрино и нейтрон. К сожалению, нейтрино обладает слишком маленькой массой, а одинокие нейтроны распадаются минут через десять. Поскольку Вселенная несколько старше, нейтроны — не совсем то, что мы ищем. Может показаться, будто на данный момент у нас нет верного кандидата, но не надо забывать, что физики необычайно хитроумны, и хотя пока что налицо дефицит частиц темной материи, нет никаких причин полагать, что мы ничего не придумаем[137].

В число частиц-подозреваемых вошли аксионы, миниатюрные черные дыры, монополи Дирака, крупицы кварков (quark nuggets) и многие другие. Некоторых подозреваемых, например черные дыры или монополи Дирака, оправдали на основании наблюдательных и экспериментальных данных, но подтвердить обвинение в темных делишках еще ни разу не удалось — даже отдаленно.

Однако многие физики-ядерщики полагают, что во Вселенной существуют так называемые WIMP — причем в огромных количествах. Слово wimp означает «нытик», но наши WIMP — это вовсе не жертвы школьной травли с вечно хлюпающими носами и бесперебойные источники карманных денег, a Weakly Interacting Massive Particles, то есть массивные частицы слабого взаимодействия; в очередной раз название описывает все то, что мы и так не знаем. Темная материя, конечно, обладает массой, а поскольку она не участвует в сильном и электромагнитном взаимодействии, то резонно предположить, что она участвует в слабом[138].

Итак, WIMP — хорошее название в том смысле, что оно описательное, но плохое в том смысле, что оно нам почти ничего не говорит. Перед теоретической физикой стоит задача предсказать, что такое WIMP. В нашем случае предсказать означает не просто заявить, что они существуют. Хорошая теория должна рассказать, какая у WIMP масса, с какими частицами и как часто они взаимодействуют, когда и как образовались.

Фаворит наших гонок на звание WIMP следует традиции, согласно которой физики выдумывают частицы, очень похожие на другие частицы. Классический пример — нейтрон. До 1920 года наука знала всего две «фундаментальные» частицы — протон, носитель положительного заряда, и электрон, заряженный отрицательно. В то время ученые могли измерить характеристики атомных ядер, и водород, например, обладал зарядом +1, а гелий — +2. «Очевидный» вывод (основанный на данных химии) гласил, что водород состоит из одного протона, а гелий — из двух, и если бы это было так, то гелий был бы вдвое массивнее водорода. А на самом деле гелий массивнее водорода в четыре раза.

Обширный опыт изучения естественных наук позволил Эрнесту Резерфорду сделать блестящее умозаключение, что четыре больше двух. Он предсказал существование злектрически нейтральной частицы, обладающей примерно той же массой, что и протон, и впоследствии эта частица получила название «нейтрон». Нам-то теперь кажется, будто все очевидно, но на самом деле это было смелое заявление. Нейтрон, подобно темной материи, не взаимодействует со светом, а значит, увидеть его нельзя. Лишь спустя 12 лет Джеймс Чедвик наконец пронаблюдал нейтрон в лабораторных условиях — и оказалось, что эта частица обладает именно теми качествами, которые предсказал Резерфорд.

Как видите, история знает много случаев, когда выдающиеся открытия начинались с того, что физики говорили: «Гм… Если бы у нас была частица, которая выглядела бы почти как вот эта, все бы замечательно сошлось с ответом… А вдруг существует неуловимая частица — и хотя мы ее почему-то не видим, она должна быть вот такой и вот такой». Такой подход, как в случае с нейтроном Резерфорда, иногда выявляет новые частицы, которые значительно упрощают картину[139].

Физики любят симметрию, в чем мы с неудовольствием убедились в главе 4. Согласно стандартной модели, существуют шесть разных кварков и шесть разных лептонов, и каждую из этих групп можно подразделить на две группы по три частицы. В случае лептонов у нас есть три (нейтральных) нейтрино и (заряженные) электрон, мюон и тау-частица. Более того, у каждой частицы есть античастица — причем их свойства практически идентичны, и только заряд противоположен. Существует множество разных способов сгруппировать частицы — но почти всегда в конце концов мы получаем группы с равным количеством частиц. Но в одном случае симметрия дает сбой. Стандартная модель подразделяет все частицы на две группы.

1. Фермионы — составляющие материи. В число фермионов входят кварки, электроны, мюоны, тау-частицы и нейтрино — и все эти частицы, как мы только что говорили, образуют чарующе симметричную картину.

2. Бозоны — переносчики взаимодействий. Это частицы, которые переносят различные силы. В число бозонов входят фотоны, глюоны, частицы W и Z, а также гравитон и частица Хиггса, если они существуют.

Если мы все подсчитаем, получится, что с учетом частиц и античастиц существует 28 бозонов — и целых 90 разных фермионов! Пусть количество «фундаментальных» частиц вас не пугает: большинство из них более или менее идентичны друг другу и различаются лишь несущественными деталями — например, цветом, как кварки.

Тем не менее тот факт, что количество фермионов не совпадает с количеством бозонов, откровенно обескураживает многих физиков. Почему частицы материи (фермионы) полностью отделены от сил (бозонов)? Если они две стороны одной медали, значит, фермионов должно быть в точности столько же, сколько и бозонов. Эта идея известна под названием «суперсимметрия» и предполагает, что существует уйма частиц, которых мы никогда не видели. Поскольку все эти частицы полностью гипотетичны, мы даем им смешные названия, похожие на марки макарон: «гравитино», «нейтрадино» (очередной кандидат на звание темной материи) и (наша любимая частица — уж больно остроумное у нее название) «вино» с ударением на «и» — суперсимметричный партнер W-частицы.

Эти частицы ведут себя почти как их обычные частицы-партнеры. Если бы суперсимметрия действительно была совершенной симметрией, тогда частица вино[140] обладала бы той же массой, что и частица W, селектрон[141] — той же массой, что и электрон, и так далее.

Разумеется, если бы это было так, мы уже давно получили бы эти частицы в наших ускорителях. Если суперсимметрия существует, то она должна быть неполной — а значит, суперсимметричные партнеры, скорее всего, куда массивнее оригиналов.

Суперсимметричные частицы, подобно нейтрону, умели распадаться. Подобно тому, как массивные частицы распадаются на более легкие, вероятно, сейчас остались только легкие, поскольку им не на что распадаться. Все они называются общим термином «легчайшие суперсимметричные частицы» (Lightest Super symmetric Particles, LSP), и многие физики полагают, что это нейтралино. Если эта частица существует, то не исключено, что это и есть та самая частица темной материи, которую мы ищем.

Но мы обязаны сделать одно важное уточнение. На сегодняшний день данные наблюдений не дают ни малейших свидетельств, подтверждающих правильность суперсимметрии. Это физика «за пределами стандартной модели», а значит, объяснить все известные нам факты физики частиц можно и без суперсимметрии. Однако в прошлом мы великолепно подмечали симметрии, и всегда есть шанс, что симметрия и впредь поможет нам расширить свои знания о Вселенной.

Так из чего же состоит темная материя — из LSP или из чего-нибудь еще? Если темная материя состоит из каких-то разновидностей WIMP, обнаружить их будет относительно несложно — вот почему мы так уверены, что их откроют в ближайшие несколько десятилетий. Произведем краткий обзор состояния наших знаний на сегодняшний день. Мы с очень хорошей точностью знаем плотность массы темной материи во Вселенной, так что или у нас очень много легких WIMP, или относительно мало очень массивных. Мы точно знаем, что WIMP не могут быть слишком легкими, меньше массы протона, поскольку уже построили множество ускорителей, способных создавать легкие частицы, но пока что никаких WIMP не видели.

С другой стороны, WIMP могут быть очень тяжелыми и при этом не противоречить космологическим наблюдениям. Как мы уже объяснили, было жизненно необходимо, чтобы WIMP на ранних стадиях развития Вселенной умели превращаться в обычную материю, которую мы наблюдаем теперь, и наоборот, что задает нижний предел того, насколько темная материя способна взаимодействовать с обычной. Этот нижний предел взаимодействия задает и верхний предел массы частицы темной материи — она составляет 40 тысяч масс протона, хотя это очень завышенная оценка, поскольку большинство теорий предсказывают, что масса WIMP составляет меньше тысячи масс протона.

Нам нужно вычислить массу частицы темной материи и разобраться, в каких взаимодействиях эта частица участвует, а потом посмотреть, соответствуют ли эти данные суперсимметрии, теории струн или еще чему-нибудь. Однако получить частицы темной материи экспериментально очень трудно, поскольку они буквально утекают сквозь пальцы. Тем не менее мы располагаем несколькими способами узнать их характеристики.

1. Сделайте их сами.

В главе 4 мы уделили много времени разговору о том, как создавать в ускорителях массивные частицы вроде частицы Хиггса. А вдруг там можно создать и частицы темной материи? Конечно, частицы темной материи, как и нейтральную частицу Хиггса, руками не потрогаешь и на стол не положишь, но мысль эта здравая. Столкните друг с другом две частицы с достаточной энергией — и рано или поздно вы получите WIMP. Однако измерение их массы будет основано на том, чего мы не видим. Массой WIMP будет энергия, недостающая в балансе энергии столкновения (и масс сталкивающихся частиц) и энергий (и масс) вылетевших частиц.

2. Их полно кругом!

Мы уже говорили и снова повторим[142], что буквально купаемся в темной материи, но не в состоянии засечь ее прямо, не считая гравитации (которая у отдельных частиц пренебрежимо мала) или слабого взаимодействия (которое вообще пренебрежимо мало, и точка).

Тем не менее кое-что нам под силу — например, сделать ванны из жидкости, которая, будучи предоставлена сама себе, ни с чем не взаимодействует. Едва ли не самое масштабное мероприятие такого рода — это проект XENON100, в котором участвует около 120 килограммов жидкого ксенона. Ксенон выбран потому, что в нормальных условиях он не взаимодействует с другими материалами и не распадается. По мысли исследователей, если поместить детекторы глубоко под землю и внимательно следить, чтобы туда не попадали космические лучи, то при нормальных обстоятельствах необъяснимых сигналов быть не должно.

Установив ванны и детекторы, ученые просто сидят и ждут, когда мимо проскочат частицы темной материи. Может статься, такая частица ударит в протон, а протон выдаст излучение, которое удастся засечь. Пока что ни одной частицы мы не видели, но возлагаем большие надежды на детекторы нового поколения — которые куда чувствительнее.

3. Пусть Вселенная потрудится за вас.

Главное в WIMP — то, что их полным-полно[143], пространство ими так и кишит.

Как бы слабо они ни взаимодействовали, они все же вступают во взаимодействия. Что будет, если столкнуть WIMP и анти-WIMP? Как правило, ничего. Скорее всего они просто пройдут друг сквозь друга. А может быть, сделают то же самое, что делали все частицы и античастицы с начала времен, — уничтожат друг друга, и создадут гамма-излучение. Если направить телескопы в нужную сторону, мы, вероятно, увидим свет, возникший в результате этих столкновений.

Предположительно смотреть стоит именно в ту сторону, где больше массы. Беда в том, что при таком подходе массу следует искать именно в центре галактики, а там происходит много других событий — например, в центральную черную дыру падает вещество, — отчего тоже возникает высокоэнергичное гамма-излучение. Отличить сигнал от помех будет очень трудно, поэтому пока что достоверных наблюдений сделано не было.

В 2008 году НАСА в сотрудничестве с министерствами энергетики США, Франции, Германии, Италии, Японии и Швеции запустило на орбиту гамма-обсерваторию им. Ферми. Этот космический телескоп позволит нам исследовать центр галактики, а также звездные скопления, потенциальные черные дыры и другие излюбленные места обитания темной материи.

Хотите верьте, хотите нет, а у темной материи остается все меньше тайных убежищ.