Теневая Вселенная
В ней содержится бо́льшая часть материи Вселенной, но мы не представляем себе, что это такое. Как выяснил Маркус Чаун, скрытое царство темной материи может существовать прямо у нас под носом.
Американский астроном Карл Саган (Carl Sagan) однажды сказал, что предпочел науку научной фантастике, потому что наука непривычнее. Что ж, проверим для разнообразия это научное утверждение: существует вторая галактика, занимающая то же самое место, что и наш Млечный Путь. Мы не замечаем ее, поскольку она невидима для наших телескопов, в ней даже могут быть невидимые звезды, невидимые планеты и невидимая жизнь.
Идея теневого Млечного Пути может показаться безумной, но это реальная гипотеза американских физиков, пытающихся понять невидимую, или темную, материю нашей Вселенной. <Мы считаем это важными исследованиями, поскольку они могут объяснить некоторые загадочные наблюдения и допускают проверку>, - говорит Мэттью Маккалоу (Matthew McCullough) из Центра теоретической физики Массачусетского технологического института (MIT) в окрестностях Бостона (США).
Концепция темной материи была предложена для объяснения ряда странных астрономических явлений. Так, звезды во внешних областях спиральных галактик, подобных нашей, обращаются слишком быстро. При такой скорости они должны были бы вылетать в межгалактическое пространство, как дети со слишком сильно раскрученной карусели. Но они не вылетают, и астрономы заключили, что это связано с гравитационным притяжением огромного количества материи, которая не испускает регистрируемого нами изучения.
Второе наблюдение, для объяснения которого используется темная материя, состоит в том, что вы читайте эти слова. Исследования космического микроволнового фона, послесвечения огненного Большого взрыва, показывают, что материя в самом начале была распределена в пространстве очень однородно. Однако в некоторых местах ее плотность была чуть выше, чем среднем. Эти области обладали более сильной гравитацией, чем их окружение, и быстрее притягивали к себе материю, становясь еще плотнее. Но этот процесс слишком медленный, чтобы к возрасту Вселенной в 13,8 млрд лет сформировать такие большие галактики, как Млечный Путь. Чтобы объяснить наше существование, необходимо предположить наличие большого количества темной материи, чья дополнительная гравитация значительно ускоряет формирование галактик.
Теории темной материи
На темную материю приходится 26,8% всей массы и энергии во Вселенной. Ее значительно - в пять раз - больше, чем обычного вещества, тех 4,9% барионной материи, из которой состоим мы с вами и всё вокруг нас. Вопрос в том, что она собой представляет. В предположениях не было недостатка: от черных дыр размером с холодильник, оставшихся после Большого взрыва, до реликтов будущего, чья <стрела времени> направлена в обратную сторону. Однако наиболее популярна идея о том, что темная материя состоит из пока еще не открытых субатомных частиц.
На эту роль есть много кандидатов, например аксионы, которые могли бы помочь справиться трудностями в описании фундаментального сильного взаимодействия, а также слабо взаимодействующие массивные частицы, называемые вимпами (англ. Weakly Interacting Massive Particle, WIMP). Вимпы предсказываются такими теориями, как суперсимметрия (SUSY), которые предполагают, что у фундаментальных элементарных частиц из семейства фермионов имеются суперсимметричные партнеры из другого семейства - бозонов. Искомые частицы темной материи появляются в этих теориях под видом целого семейства <суперпартнеров> уже известных элементарных частиц. Самый легкий стабильный суперпартнер - нейтралино - наиболее вероятный кандидат на роль темной материи.
Но есть одна проблема. Ни одного нейтралино или другой частицы темной материи до сих пор не удалось получить даже при сверхвысокоэнергичных столкновениях на Большом адронном коллайдере. <Возможно, что-нибудь появится, когда в 2015 году ускоритель будет перезапущен с еще более высокой энергией столкновений, - размышляет Маккалоу. - Но что если ничего не обнаружится?>
Это подтолкнуло некоторых физиков к тому, чтобы попробовать немного скорректировать возможные модели темной материи. <Наш обычный мир устроен сложно, он не построен из однотипных частиц как из единственного вида лего-кирпичиков, а состоит из множества разных, - поясняет Маккалоу. - Что если темная материя тоже сложная?>
Маккалоу работал в Гарвардском университете (США) с Лизой Рэндалл (Lisa Randall), автором книги <Закрученные пассажи> и первой женщиной, ставшей пожизненным профессором теоретической физики как в Гарварде, так и в MIT. Вместе с коллегами она выдвинула гипотезу о новой форме темной материи, которая способна взаимодействовать сама с собой, однако игнорирует обычную материю. Как следствие, мы не можем определить ее присутствия.
Но самое главное, такое самовзаимодействующее темное вещество ведет себя совершенно иначе, чем обычная темная материя. Наш Млечный Путь считается состоящим из гигантского сферического вращающегося облака темной материи, в которой подмешано небольшое количество обычной материи, которое начинает сжиматься под действием гравитации. Это происходит быстрее между полюсами, чем вдоль экватора, где гравитации противостоит направленная вовне <центробежная сила>. В конечном итоге образуется тонкий плоский диск, который затем фрагментируется на звезды. Это возможно лишь благодаря тому, что облаку обычной материи удается избавиться от тепла (которое поддерживает в нем давление, препятствующее гравитационному сжатию) путем излучения тепловой энергии в виде электромагнитных волн, то есть света. Принципиально важно, однако, что темная материя не способна испускать свет. Без потери энергии она не может сжаться в диск и остается сферическим облаком. В результате наша Галактика приобретает вид сплющенного спирального диска из звезд, погруженного в сфероидальное облако (гало) темной материи.
Однако Рэндалл и ее коллеги говорят, что придуманный ими вид темной материи может взаимодействовать сам с собой посредством сил, аналогичных электромагнитным. А значит, она должна быть способна терять энергию, испуская темные электромагнитные волны, или <темный свет>. <Темная материя в таком случае может коллапсировать в тонкий диск так же, как и обычная материя, - поясняет Рэндалл. - Мы называем его дублирующим диском из темной материи>.
Рэндалл не говорит обо всей темной материи. Сферическое облако хорошо объясняет скорости, с которыми звезды обращаются в нашей Галактике, так что львиная доля темной материи должна оставаться в этой форме. Но часть ее, сравнимая по массе с совокупностью видимых звезд, могла бы образовать плоский диск.
Идея дублирующего диска могла бы объяснить некоторые наблюдаемые аномалии. Например, запущенный космический гамма-телескоп <Ферми> обнаружил гамма-излучение с энергией 130 гигаэлектронвольт (ГэВ), приходящее из центра нашей Галактики. Его можно объяснить, если существует частица темной материи с массой 130 ГэВ, что примерно в 130 раз больше массы протона. Гамма-излучение тогда может возникать при аннигиляции таких частиц темной материи с их античастицами. Модель, в которой темная материя образует разреженное сферическое гало, не обеспечивает достаточной плотности, чтобы аннигиляция таких частиц объяснила происхождение гамма-излучения. <Однако в модели с дублирующим диском новая составляющая темной материи будет плотнее, и ее частицы смогут чаще находить античастицы, с которыми они могут аннигилировать>, - объясняет Рэндалл.
Регистрация темной материи
В настоящее время проводится целый ряд экспериментов в попытке зарегистрировать частицы темной материи, пролетающие сквозь Землю. Поскольку темная материя практически не взаимодействует с обычной, в них используются различные атомные ядра - от кремния до ксенона, от фтора до йода - в надежде <увидеть> отдачу, испытываемую ядром при неожиданном столкновении с частицей темной материи.
В большинстве экспериментов пока ничего не зарегистрировано, несмотря на то, что Солнце, обращаясь вокруг центра Галактики, движется со скоростью 220 км/с относительно гало темной материи. <Но если часть темной материи составляет второй диск, который вращается вместе с видимой Галактикой, то именно так и должно быть, - объясняет Маккалоу. - Относительная скорость дисков из темной и обычный материи будет равна нулю, а значит, столкновения темной материи с детекторами будут слишком слабыми, чтобы их заметить>.
И всё же есть один результат, который может избавить от необходимости в дублирующем диске. Хотя в эксперименте LUX (Large Underground Xenon), проводимом в заброшенной золотой шахте в Южной Дакоте (США), ничего не обнаружено, эксперимент CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) в шахте Судан в Миннесоте (США) зафиксировал три события - и все с энергией от 8 до 12 килоэлектронвольт.
Как такое может быть? Маккалоу и Рэндалл утверждают, что загадку можно разрешить благодаря еще одному допущению. Представьте себе, что частица темной материи находится в высокоэнергетическом состоянии. Когда она сталкивается с ядром кремния в CDMS, она теряет эту энергию, толкая ядро. Однако энергии, высвобождаемой в таких столкновениях, недостаточно для генерации сигнала в эксперименте LUX.
Критики могут сказать, что темная энергия не объясняет того, что мы видим, и что Рэндалл с коллегами просто добавляет к теории разные бантики. Это может напоминать то, как древние греки, обнаружив, что их теория движения планет по круговым орбитам не соответствует наблюдательным данным, стали добавлять круги к кругам (эпициклы), пока не добились соответствия.
<Я думаю, всё еще хуже, чем с добавлением эпициклов, - считает Мордехай Милгром (Mordehai Milgrom) из института Вейцмана в Реховоте (Израиль). - Это добавление эпициклов просто от нечего делать>. Милгром - автор весьма спорной идеи модифицированной ньютоновской динамики (MoND), которая утверждает, что аномальные орбитальные скорости звезд в спиральных галактиках объясняются не тяготением огромного количества невидимой темной материи, а тем, что гравитация сильнее, чем предсказывал Ньютон.
В ответ на подобную критику Рэндалл просто пожимает плечами. <Мы делаем шаг вперед, чтобы понять, может ли темная материя иметь более богатую структуру, подобную обычной материи, - поясняет она. - Мы выдвигаем резонное предположение, что некоторые из ее частиц взаимодействуют>.
Маккалоу допускает, что идея дублирующего диска темной материи не удовлетворяет почтенному принципу бритвы Оккама. Принцип этот утверждает, что из двух одинаково соответствующих наблюдениям конкурирующих теорий, как правило, верна более простая. <Но что если темная материя действительно сложная? - спрашивает он. - У нас нет другого выбора, кроме как принять то, что дает нам природа>.
Как же можно подтвердить, что у нашего Млечного Пути есть второй диск? <Он будет влиять на гравитационное поле, воздействующее на звезды в окрестностях Солнца, - говорит Рэндалл. - Таким образом, точные наблюдения за их движениями могут обнаружить этот диск>.
По сравнению с нашим второй диск может иметь другую толщину и протяженность. <Но даже если первоначально они не были параллельны, - рассуждает Рэндалл, - гравитационное притяжение между темным диском и обычным давно бы выровняло их друг относительно друга>.
Существование темных электромагнитных сил позволило бы субкомпоненте темной материи сжаться в теневой диск. Этот диск мог бы затем фрагментироваться на комки звездного размера за счет <темных> эквивалентов известных сил. <Могут ли в этих комках зажечься темные звезды, будет зависеть от существования темных сильных и темных слабых ядерных сил, управляющих ядерными реакциями>, - считает Рэндалл.
Обитатели тьмы?
Забавно рассуждать о том, что теневая вселенная, состоящая из темной материи, может быть даже не такой же сложной, как наша Вселенная, а намного сложнее. Быть может, там существует шесть фундаментальных взаимодействий, а не четыре, как у нас. Не может ли это объяснять, почему мы не видим никаких признаков инопланетян, несмотря на полвека активных поисков сигналов от них? Вдруг вселенная темной материи попросту намного интереснее? Не может ли быть так, что все развитые внеземные цивилизации отправляются в теневую вселенную, поскольку всё важное происходит именно там? <Вот тут мы уже действительно переходим в область научной фантастики!> - смеется Маккалоу.
