Книга: 100 великих загадок астрономии

Из чего состоит темное вещество?

Из чего состоит темное вещество?

Происхождение темного вещества по-прежнему остается загадкой. Может ли оно, например, состоять из холодного межзвездного газа, не испускающего никакого излучения? Против этой гипотезы говорит тот факт, что клубы газа могут разогреваться, а значит, тогда они переходят в категорию «обычного (барионного) вещества». Кроме того, совокупной массы холодного газа недостаточно, чтобы устранить выявленный дефицит.

А вот другая гипотеза, не требующая от нас пополнять мироздание сонмом неведомых элементарных частиц: все дело в холодных пылевых облаках. Их температура опять же, предполагается, настолько низка, что они не испускают никакого излучения, а потому их невозможно обнаружить. Однако огромные массы этой «ледяной пыли» все равно должны отражать звездный свет, а потому их можно увидеть в инфракрасном диапазоне. Кроме того, гигантские пылевые облака повлияли бы на зарождение звезд и так, пусть и косвенно, напомнили бы о себе.

Природа темного вещества порождает много теорий

В поисках недостающей массы вспомнили даже о коричневых карликах. Но расчеты показывают, что те могут составлять лишь малую часть таинственной скрытой массы.

Итак, ученые строят самые разные гипотезы, пытаясь объяснить природу темного вещества. Очевидно, оно состоит из не описанных Стандартной моделью физики и не открытых пока еще частиц. Небарионное темное вещество делят на горячее и холодное.

К первой категории долго причисляли нейтрино. Однако массы всех нейтрино в нашей Вселенной опять же не хватит, чтобы объяснить феномен темного вещества. В любом случае, если оно состоит из каких-то легких частиц, движущихся со скоростью, близкой к световой, то из двух сценариев зарождения крупных структур во Вселенной был бы справедлив тот, что условно называют «top down». Поначалу в космосе возникали громадные флуктуации вещества, из которых зарождались галактические скопления. В отдельных частях этих сгустков появлялись свои неоднородности – прообразы будущих галактик. Внутри них проступали небольшие комочки – будущие звезды, окруженные своими протопланетными дисками. Однако результаты наблюдений последних лет свидетельствуют о противоположном механизме формирования Вселенной; он получил название «bottom up». К тому времени, когда началось образование галактических скоплений, галактики давно уже зародились. Поэтому горячее небарионное вещество может составлять лишь малую часть темного вещества.

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?