Текст книги "100 великих загадок астрономии"

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?

Вселенная состоит из темной энергии?

Еще в 1917 году, описывая Вселенную, Альберт Эйнштейн ввел в формулу «космологическую постоянную» – своего рода «антигравитацию», энергию, свойственную пространству как таковому. В то время большинство ученых были убеждены в том, что Вселенная пребывает в равновесии. Без этой же константы она неминуемо расширялась или сжималась. Искусным хитросплетением формул Эйнштейн очертил космос, словно рамкой. Портрет его был завершен.

Однако факты все-таки вмешались и потрясли теорию Эйнштейна до основания. Разлетающиеся вдаль галактики, словно стены крепости, отброшенные взрывом, смели прежние построения знаменитого физика. Он списал космологическую постоянную за ненадобностью. Лишь полвека спустя новые астрономические открытия убедили научный мир в том, что интуитивный вымысел Эйнштейна имел самое прямое отношение к реальности.

В конце ХХ века в научных кругах утвердилась уверенность в том, что существует некая «энергия», определяющая судьбу Вселенной, ее неуклонное расширение. «В мире присутствует не только всемирное тяготение, но и всемирное антитяготение», – пишет российский астрофизик А.Д. Чернин. Неизвестный вид энергии заполняет все пространство и вызывает взаимное отталкивание вещества. Природа этой энергии остается загадочной; она не может быть объяснена с позиций Стандартной модели космологии, поэтому ее и назвали «темной энергией». Это определение дал ей в 1999 году американский астрофизик Майкл Тернер.

По результатам наблюдений последних лет астрофизики создали новую модель Вселенной

Именно темная энергия считается теперь «мотором», приводящим Вселенную в движение. Она заставляет наш мир все быстрее расширяться. Она разбрасывает части космоса во все стороны, словно росток, пробиваясь из-под земли, раздвигает клейкие комки. Однако эта энергия столь же бесплотна, как тень, и призрачна, как мрак: она не взаимодействует с обычным веществом и не испускает электромагнитное излучение. Она равномерно распределена, и пока нигде не замечено сгустков темной энергии.

Открыли эту самую великую и неприметную стихию две группы ученых, наблюдавшие за отдаленными вспышками сверхновых звезд. В 1998 году руководители этих групп, американские астрономы Сол Перлмуттер и Адам Рис, а также их австралийский коллега Брайан Шмидт (в октябре 2011 года все они получили Нобелевскую премию по физике), опубликовали результаты исследования сверхновых типа Ia, взорвавшихся от 2 до 7 миллиардов лет назад. Речь идет о белых карликах, расстояние до которых мы можем точно определить. Оказалось, что они находятся на 10–15 % дальше, чем следовало бы, если бы расширение Вселенной замедлялось. Так ученые вынуждены были признать: что-то распирает космос, оказывает на него отрицательное давление.

Дальнейшие исследования вновь принесли сенсацию. В далеком прошлом Вселенная расширялась медленнее, чем теперь. Сила гравитации сдерживала бег видимой материи. «Наша Вселенная напоминает обычного автомобилиста: она то тормозит, увидев красный свет, то залихватски мчится, заметив зеленый», – так сформулировал краткую историю космоса Адам Рис. Роль светофора поочередно выполняли гравитация и антигравитация.

Около 7 миллиардов лет назад «включилась» последняя – то бишь темная энергия. Как показывают теоретические модели, она переборола силу, противодействовавшую ей. Ее плотность, как полагают, со временем не меняется, в то время как плотность обычного вещества падает, ведь космическое пространство становится все обширнее. С тех пор Вселенная неудержимо расширяется, хотя «мотор», приводящий ее в движение, по-прежнему спрятан за кулисами.

По результатам наблюдений последних лет – и, в первую очередь, исследований, проведенных зондом Уилкинсона, – астрофизики создали новую модель Вселенной. Согласно ей, Вселенная состоит на 72 % из темной энергии, на 23 % – из темного вещества, а также содержит около 4,6 % обычного вещества в самых разных его проявлениях – от атомов водорода, снующих в космическом пространстве, до сверхплотных нейтронных звезд – и около 0,3 % нейтрино.

Общее количество темной энергии невероятно велико, но, поскольку она разлита по всему мирозданию, ее плотность, как показывают расчеты, не превышает четырех электронвольт на кубический миллиметр. Для сравнения: масса покоя одного электрона равна 511 тысячам электронвольт.

Так какова может быть природа темной энергии? Миновать этот вопрос нельзя. Ведь невозможно описать фундаментальные свойства времени, пространства, материи и энергии, игнорируя основной компонент Вселенной. Пока «темная энергия – пожалуй, главная загадка современного естествознания», отмечает на страницах журнала «Знание – сила» академик В.А. Рубаков.

Может быть, все дело в вакууме? Согласно квантовой теории, вакуум никогда не бывает пустым. В нем непрестанно рождаются и исчезают частицы. Многие ученые полагают, что энергия вакуума и есть темная энергия. Так, еще в середине 1960-х годов советский физик Э.Б. Глинер заметил, что гипотеза о космологической постоянной равнозначна предположению о том, что во Вселенной существует некая идеальная однородная «среда». Однако подобная среда и впрямь есть. Это – вакуум. «Но когда теоретики, – пишет Адам Рис, – попытались вычислить плотность энергии, связанной с квантовым вакуумом, то получили значение на 120 порядков выше необходимого». Пока неизвестно, чем объясняется такой чудовищный разрыв между теоретическими и опытными данными.

Удивляет и другое. Почему все-таки действие антигравитации проявилось так поздно? «Пусть мы не знаем пока, что такое темная энергия, мы убеждены в том, что, изучая ее, поймем, каким образом на ранней стадии Вселенной были взаимосвязаны фундаментальные силы и элементарные частицы, – подчеркивает Майкл Тернер. – Путь к этому пониманию лежит через телескопы, а не через ускорители».

Итак, в рамках общей теории относительности можно истолковать темную энергию как среду, испытывающую действие антигравитации. В квантовой теории она готова предстать в обличье вакуумной энергии. Есть и другие объяснения.

В 1998 году американские физики Пол Стейнхардт, Ричард Колдуэлл и Рауль Дэйв предположили, что за темной энергией скрывается не космологическая постоянная, а неизвестное пока квантовое поле, не описываемое Стандартной моделью физики. Оно пронизывает все пространство и вызывает непрестанное расширение Вселенной. Оно мало напоминает электрическое или магнитное поля и действует как антигравитационная сила. Стейнхардт и коллеги назвали его «квинтэссенцией», вспомнив одну из основ мироздания, придуманную Аристотелем в дополнение к уже известным четырем стихиям – огню, воде, земле и воздуху.

В этой гипотезе темная энергия меняется со временем. «Тогда она естественным образом может достичь своего нынешнего значения», – рассуждает Стейнхардт. Приняв подобную идею, можно не удивляться: «Почему так поздно?» Остается лишь опасаться, что со временем значение этой плотности снова изменится, и тогда Вселенная начнет ускоренно сжиматься, превращаясь из «бесконечности» в точку грядущего Большого взрыва.

Некоторые гипотезы звучат еще радикальнее. Авторы одних готовы упразднить темную энергию, авторы других меняют сам образ мира, то заставляя свет мчаться с какой угодно скоростью, то отрицая принцип однородности Вселенной. Возможно, космологические уравнения требуют уточнения. В таком случае, нельзя ли вообще обойтись без помощи темной энергии?

Темная энергия: все только иллюзия?

Новые размышления приводят к тревожным выводам. Возможно, темная энергия – это грандиозная ошибка? Космологи просто просчитались, пытаясь описать Вселенную? Быть может, мы живем в совершенно особом ее уголке и нам нельзя распространять полученные нами данные на все мироздание? Темная энергия – это иллюзия?

Это «еретическое» мнение некоторых исследователей взволновало научный мир.

Так, Эдвард Колб из Чикагского университета, Антонио Риотто из ЦЕРН и канадский физик Джон Моффат полагают, что плотность всей наблюдаемой нами части Вселенной ниже средней величины. Говоря иными словами, плотность той части Вселенной, что недоступна нашим телескопам, выше плотности видимой нами части мироздания. Возник этот перепад плотности благодаря космической инфляции, когда крохотные сгустки вещества в считаные доли секунды разрослись до вселенских размеров. Итак, та часть космоса, которую мы не видим, не расширяется ускоренно, зато создает своего рода тягу, и потому наша область космоса ускоренно расширяется.

Снимки сверхновых, сделанные космическим телескопом «Хаббл», позволили ученым предположить, что темная энергия является важной составляющей Вселенной

Что мы имеем в остатке? Темная энергия не нужна. Она существует, если справедлив важнейший космологический принцип: наша Вселенная однородна и изотропна. Только тогда можно описывать процессы, протекающие во Вселенной, и ее структуру с помощью общей теории относительности. Если мы отказываемся от этого принципа, то результаты наблюдений следует трактовать не так однозначно. В таком случае, темная энергия может оказаться фикцией космического масштаба.

Еще одну гипотезу предложил астрофизик Субир Саркар из Оксфордского университета. По его мнению, не только темная энергия не существует, но и Вселенная не расширяется ускоренно. «Наблюдают другое, видят, что отдаленные сверхновые звезды светят слабее, чем предполагает Стандартная модель. Этот эффект нельзя объяснить тем, что часть излучения поглощает пыль. Потому принято считать, что эти звезды находятся дальше от нас, чем ожидалось. Но ведь можно же предположить, что наша Вселенная неоднородна, вместо того чтобы использовать модель однородной Вселенной при интерпретации фактов. Может быть, скорость расширения нашей области космоса выше среднего показателя в отдаленных частях Вселенной, а потому мы ошибочно определяем расстояние до сверхновых звезд – наши результаты получаются завышенными». Впрочем, пока картина распределения галактик все-таки больше соответствует Стандартной модели, хотя новые результаты измерений могут внести какие-то уточнения.

Израильский астрофизик Мордехай Мильгром вообще сомневается в том, что закон всемирного тяготения справедлив. Он предложил «модифицированную ньютоновскую динамику», и надо думать, что желающие «подправить старика Ньютона» не переведутся ни на Западе, ни у нас. По его мнению, на очень больших расстояниях гравитация становится слабее, чем полагает традиция. Британский физик Мартин Рис так оценил его старания: «К гипотезе Мильгрома можно будет обратиться лишь в том случае, если все поиски темной энергии окажутся бесплодными и все иные возможности будут исключены».

В принципе, закон всемирного тяготения Ньютона уже трижды пришлось модифицировать. Он не действует на очень маленьких расстояниях, где главенствуют квантово-механические эффекты. При скоростях, превышающих 10 % световой скорости, ньютоновская механика заменяется частной теорией относительности Эйнштейна, а для очень массивных объектов – его же общей теорией относительности. Поэтому специалисты не исключают, что рано или поздно, если существование темной энергии не подтвердится, придется снова модифицировать многострадальный закон Ньютона.

Португальский физик Жоао Магуэхо ради новой любимицы физиков готов поступиться еще одной догмой. Он предположил, что на начальной стадии Вселенной скорость света была в миллиард раз выше, чем теперь. По мере расширения и остывания Вселенной скорость света уменьшалась, а когда температура Вселенной достигла некоего критического значения, произошел «фазовый переход» – что-то вроде превращения воды в лед: скорость света «застыла» на нынешнем уровне. В таком случае наблюдения за сверхновыми звездами можно истолковать иначе. Однако исследования космического фонового излучения, проведенные в начале 2000-х годов, опровергли эту гипотезу.

По мнению Энн Нельсон, Дэвида Каплана и Нила Уайнера из Вашингтонского университета, за темной энергией скрывается новый, неизвестный прежде тип элементарных частиц – акселероны (от английского acceleration, «ускорение»). Они взаимодействуют лишь с нейтрино и ни с какими другими элементарными частицами. Взаимное отталкивание акселеронов и нейтрино, мчащихся почти со световой скоростью и практически не реагирующих с обычным веществом, вызывает ускоренное расширение Вселенной. В результате термоядерных реакций, протекающих в недрах звезд, количество нейтрино все растет, и Вселенная все увеличивается. Однако чем дальше будут разлетаться нейтрино, тем медленнее продолжит расширяться Вселенная.

Наконец, по мнению грузинского физика Гиа Двали из Нью-Йоркского университета, за темной энергией скрываются… недоступные нам размерности пространства. Так темная энергия соединяется с «теорией струн». Согласно ей, многие свойства частиц легко объяснимы, если допустить, что они состоят из… незримо тонких, вибрирующих нитей. От характера колебаний зависит облик частицы – ее масса, заряд, спин.

Двали развивает эту теорию и, хотя в его изложении она напоминает рассуждения уфолога, все основано на строгом математическом расчете. Итак, возможно, мы все-таки способны проникнуть в мир, по «теории струн», недоступный нам, и можем даже контактировать с ним. Мы обязаны этим гравитации. Она – единственная сила, которой дано преодолеть границы размерностей и воздействовать на микроскопические миры и наоборот. Дополнительные измерения ослабляют тяготение, ведь часть гипотетических «частиц гравитации» – гравитонов – ускользает в другие измерения, а потому сила взаимного притяжения галактик ослабевает и космос стремительно расширяется. Наблюдается «утечка гравитации».

Так, взявшись исследовать открытую недавно темную энергию и начав путешествие там, где о ней еще ничего не знали, мы неожиданно очутились там, где о ней уже ничего не хотят знать. Что ж, остановимся и соберемся с силами для новых странствий по темной стороне Вселенной. В путеводителях недостатка не будет. В ближайшие годы появится еще немало теорий, описывающих природу этого невидимого и неведомого мира, сказочного «то, не знаю что». И, может быть, загадочный мир темной энергии внезапно исчезнет, как морок, растает, словно дым. Во всяком случае, Адам Рис и Майкл Тернер, авторитетные исследователи этого мира, не отрицают такой возможности. В их статье, опубликованной на страницах «Scientific American», есть и такие строки: «Не исключено, впрочем, что темной энергии вообще нет и нужно пересмотреть теорию гравитации Эйнштейна».

Современная ситуация в космологии кажется весьма запутанной. Необходимо дальнейшее изучение взрывов сверхновых звезд и картины распределения вещества во Вселенной. В начале 2010-х годов НАСА и Европейское космическое агентство планируют запуск на орбиту новых телескопов и приборов, предназначенных для изучения темной энергии. Возможно, тогда станет окончательно ясно, что такое темная энергия – иллюзия или блистательное научное прозрение.