Текст книги "Как рождалось Солнце"

3.8. Выводы

• Когда материальное тело излучает – оно охлаждается, когда атомы объединяются – материя нагревается! Все атомы Вселенной не могут объединиться в одну звезду, критическая температура не позволит (Θ_max=4,39·10¹² К) – звезда взорвётся. Отсюда большой вопрос: а был ли Большой взрыв?

• Вся материя Вселенной не может распасться на атомы, т. к. при любом распаде, взрыве всегда выделяется теплота. Теплота (гравитация) снова будет собирать вещество воедино. Теплота гравитационно объединяет!

• Кругооборот энергии Вселенной! Теплообразование и охлаждение, сжатие и расширение – бесконечный процесс. Теплота всегда увеличивает энтропию, но она не бесконечна.

• Энергия от каждой частицы или элементарного шарика направлена по нормали.

• Энергия стремится к концентрации в центральной части тел в большей степени, чем на периферии, соответствующим образом работает гравитация.

• Плотность энергетических квантов в центре увеличивается из-за уменьшения объёма (уменьшения расстояния и времени переброски энергии). Таким способом зажигаются звёзды, так возникает гравитационное сжатие, так образуются все небесные тела: от пылинок до громадных звёзд.

• Благодаря двум силам – сжатия и излучения – возникают шарообразные тела, которые обладают сферической симметрией гравитационного излучения.

• Перераспределение энергии происходит автоматически, и это можно назвать природным феноменом автоматического регулирования – эффектом гравитационного сжатия. По этой причине возникают коричневые карлики, по этой причине не горят термоядерные котлы в звёздах, а те – светятся.

• Гравитационное сжатие не следует рассматривать буквально, как уменьшение объёма, гравитационное сжатие существует и в неизменяющемся объёме любого тела.

• При уменьшении температуры тела' уменьшаются в объёме за счёт снижения потока излучающей энергии. При повышении температуры энергия увеличивается и совершает работу, которая тратится на расширение тел. Расширение и сжатие тел происходит за счёт изменения излучения, т. е. постоянно совершается работа.

• Солнце не угасает и практически не расходует водород по причине эффекта гравитационного сжатия!

• Звёзды зажигает не Бог и не термоядерные реакции (космическая любовь), звёзды зажигает энергия и сопутствующая, неотъемлемая её часть – гравитация!

• Так рождалось и зажглось Солнце!

Глава 4
Почему материя тёмная?

Единомыслие – вот в чём тупик развития…

Член-кор. АН СССР Г. А. Заварзин

Рис. 4.1. Диаграмма распределения массы-энергии

4.1. Тёмные силы нас злобно гнетут

Попадаясь на глаза, данная диаграмма всегда ввергает в лёгкий шок. На видимую, реально существующую звёздную материю выделен почти невидимый сегмент диска. На указанном диске только 0,4 процента всей видимой материи приходится на звёзды – нам на этом диске, точнее в этом мире, в этой Вселенной, места уже нет. Уважающие себя учёные при такой процентовке вычеркнули своё существование вместе с планетой Земля и другими планетами, которые в сравнении со звёздами ничего не весят. В Солнечной системе почти вся масса сосредоточена в Солнце – 99,866 %. На планеты приходится ничтожный процент, а люди на одной из планет, очевидно, находятся в жёлтом секторе диска и являются невидимками, иначе – тёмными обитателями. Следуя данной диаграмме, мы живём в эпоху тёмной материи и тёмной энергии и после этого смеем утверждать, что эпоха тёмного Средневековья давно прошла.

Обидно, однако, нужно выбираться на светлую сторону. Как это сделать, будет показано в данной главе и в книге в целом.

Солнце – рядовая звезда, относится к жёлтым карликам, одна из 200 миллиардов всех звёзд только в галактике Млечный Путь. Подсчитывая сами галактики, учёные сбились со счёта, поэтому предполагают, что во Вселенной около двух триллионов галактик. Возникает резонный вопрос: почему так ничтожно мало видимой (барионной) материи, но зато 95 % тёмной массы-материи? Создаётся впечатление, что нас накрыли тёмным куполом, через который тускло просвечивает межзвёздный газ, а звёзд не видно вообще, при этом расчётчики находятся внутри этого купола.

4 процента видимой звёздной материи вместе с газом – это нонсенс.

Возникла весьма неприглядная картина: сначала выкинули своё присутствие из этого мира, решая математические задачи, а потом кто-то за нас нарисовал такую красивую диаграмму, может, инопланетяне? Это равносильно следующему: мы тут повычисляли, а что из этого получилось, нас уже мало волнует.

Нет, конечно, волнует, иначе мы бы не искали с таким усердием эту тёмную материю вместе с энергией.

Получается как в знаменитой песне: «тёмные силы нас злобно гнетут!» Ну ладно нас, русских, они продолжают «гнетить», так под них же попадает всё мировое человечество. Несправедливо, могли бы сказать зарубежные космологи, а они, наоборот, двумя руками поддерживают гипотезу БВ, ЧД и тёмной материи, где щедрый шведский комитет не скупится на медали. Очередной парадокс!

 
Вихри враждебные веют над нами,
Чёрные дыры нас злобно гнетут!
Наука блуждает в тёмном тумане,
Чары застил космический спрут!
 

Пролетарская песня «Варшавянка» весьма злободневно отражает современную космологию, несмотря на то, что смысл уже вкладывается иной.

В студенческие годы я занимался водным и пешим туризмом. Бывало, выйдешь ночью из палатки, глянешь в прохладное и ясное небо – дух захватывает от мири-адов звёзд. В более старшем возрасте ездили с другом порыбачить и отдохнуть на таёжное озеро. На берегу затухающий костёр, только лёгкий ветерок сдувал серый налёт, обнажая красное свечение тлеющих углей. На чёрной водной глади еле заметное зелёное свечение от фосфоресцирующих поплавков. Клёва нет, тишина – природа замерла в холодном оцепенении под звёздной картиной Вселенной. Всё внимание устремлено не к тусклым точкам на водной глади, взор туда – в бесконечную бездну ночного неба. Там не тьма звёзд, там сплошное светлое мерцание звёзд, они подмигивают, и ты созерцаешь этот рассыпанный звёздный ворох, как картину на огромном куполе мироздания. Вскинешь голову ещё выше, и «качнётся купол неба, большой и звёздно-снежный…». Бардовская песня Олега Митяева очень точно выхватывает «тугую высь». Вот только я бы заменил словосочетание «звёздно-снежный» на «ясно-звёзд-ный», т. к. при падении снега звёзд уже не увидишь. Хотя мысль автора здесь тоже понятна, усиление образного восприятия снежинок со звёздами.

Оставим лирику, вернёмся к тёмной материи, где почему-то с небесного купола исчезли и скрылись звёзды. Куда они подевались и как такое могло произойти? В голове не укладывается, в ней «сидит» звёздная картина мироздания, увиденная в детстве и многократно закреплённая на протяжении жизни. Как и куда могло скрыться такое огромное количество материи при невероятно мощном свечении огромного количества звёзд? Я в полном недоумении и просто по-пролетарски в это не верю!

– Не веришь – докажи!

Прежде чем заняться доказательством, следует совершить с читателями краткий экскурс в историю появления этой красочной диаграммы.

4.2. Почему материя тёмная?

В марте 2013 года астрономы, опираясь на наблюдения космической обсерватории «Планк», уточнили данные на диаграмме и интерпретировали их с учётом Стандартной космологической модели Лямбда-CDM. Тёмная энергия составляет 68,3 % энергетического содержания Вселенной, что несколько ниже относительно прежних оценок, при этом доля тёмной материи увеличилась с 22,7 % до 26,8 %, и доля обычной (барионной) материи также незначительно увеличилась с 4,5 % до 4,9 % [84].

Слово «тёмная» означает только одно – что материя не проявляется ни в одном диапазоне электромагнитных волн: ни в оптическом, ни в инфракрасном, ни в радио-, ни в ультрафиолетовом, ни в рентгеновском. Полагаю, что многие планеты, находящиеся вдали от звёзд, также не наблюдаются на расстояниях в десятки световых лет. Но мы же понимаем, на примере нашей Солнечной системы, где подавляющая масса (99,8 %) сосредоточена в самой звезде, что планеты, астероиды, кометы и прочий пылевой мусор – это ничтожно малый процент. В то же время астрономы сообщают о существовании некоего вещества, которое гравитационно влияет на доступные наблюдению объекты. Как же так случилось, что нормальная материя представляет собой очень малую часть Вселенной, может быть, её следует считать ненормальной из-за такой малости? Учёные поставили нас перед фактом некой симуляции божественной силы, но сам-то Бог непогрешим.

Слова «тёмная материя» означают, что она присутствует не в обличии звёзд и планет, а в виде чего-то неизвестного. Теоретическая модель показывает, что во Вселенной слишком мало видимой материи. Это не тёмные облака, принадлежащие обычной материи и состоящие из частиц, называемых барионами. Мы могли бы обнаруживать такие облака по степени поглощения излучения, проходящего через них. Наконец, тёмная материя – это не антиматерия, т. к. не наблюдаем аннигиляции с материей. Большие чёрные дыры размером с галактику также исключаем в виду их отсутствия.

Открываем книгу В. П. Решетникова «Почему небо тёмное» [85], где сказано, что история скрытой материи насчитывает не одно столетие. Все мы помним, как была открыта планета Нептун, которая искажала орбиту Урана. Отличились француз Ле Верье и англичанин Адамс, почти одновременно вычислившие местоположение новой планеты на карте неба в 1846 году.

Вторым ярким примером является открытие спутника звезды Сириус, который слегка сбивал основную планету с прямолинейного пути. Немецкий астроном Ф. Бессель предположил, что возмутителем спокойствия является невидимый спутник, который и был вскоре обнаружен американским астрономом А. Кларком. С такой «тёмной материей» астрономы быстро разобрались, превратив её в светлую (см. гл. 1, разд. 1.17).

Современная история затемнения начиналась в 20-х годах прошлого столетия, т. е. сто лет назад, и ясности до сих пор нет.

В 1922 году Якубус Каптейн, затем Джеймс Джинс исследовали динамическую структуру Млечного Пути и выяснили, что в галактике присутствуют «тёмные звёзды», чья масса превышает массу светящихся звёзд.

Ян Хендрик Оорт, голландский астроном, в 1932 году заметил, что наблюдаемых звёзд недостаточно для объяснения вертикального ускорения звёзд в галактике. Он предположил наличие тёмной материи вблизи галактической плоскости. Но позднее выяснилось, что на движение звёзд влияет не только диск, но протяжённое и массивное гало галактики.

Первооткрывателем скрытой массы на внегалактических масштабах был американский астрофизик европейского происхождения Фриц Цвикки, который в 1933 году проанализировал радиальные скорости 8 галактик в Скоплении Кома в созвездии Волосы Вероники. При расчётах обнаружилось, что масса скопления, определённая из скорости движения галактик – динамическая масса, – во много раз больше массы, вычисленной с помощью оценки светимости звёзд. Разброс скоростей оказался весьма велик – около 1000 км/с. Из наблюдаемого факта Цвикки заключил, что полная масса скопления должна быть в 400 раз больше при условии, что скопление в целом находится в равновесии – не сжимается и не разлетается. Следует учесть, что Цвикки использовал сильно завышенное значение постоянной Хаббла. Через три года американский астроном Синклер Смит в скоплении галактик в Деве (ближайшее скопление к Млечному Пути) получил подобный результат. Астроном отметил, что в скоплении присутствует много межгалактического вещества.

«Тёмная материя» (Dark matter) – впервые это словосочетание применил шведский астроном Кнут Эмиль Лундмарк в 1930 году. Через год данный термин использовал его коллега Ян Оорт – будущий иностранный член АН СССР.

В 1939 году Хорее Бэбкок опубликовал подробную кривую вращения галактики Туманность Андромеды. Скорость вращения определялась по доплеровскому смещению спиральных линий расстояния от центра. Кривая вращения периферийных галактик, удалённых на большом расстоянии от центра, показывала, что скорость вращения, вопреки ожиданиям, не спадала. Через год Оорт пришёл к аналогичному результату, исследуя кривую вращения внешних областей галактики NGC 3115.

До войны новое словосочетание Лундмарка было практически не замечено, так же как оригинальная работа Цвикки. Начавшаяся война отодвинула дальнейшие исследования в данном направлении.

Спустя два десятка лет в 1959 году Кан и Вольтьер предположили, что сближение двух галактик Млечный Путь и Туманность Андромеды вызвано взаимным притяжением. Оценка суммарной массы от взаимодействия оказалась в несколько раз больше, чем масса сложения их по отдельности. Исследователи сделали заключение, что недостающая масса присутствует в виде гало от горячего газа, окружающего данные галактики.

4.3.1970-е – переломные в легализации тёмной материи

Вплоть до 70-х годов прошлого века астрономы в своих публикациях старались обходить слово «тёмная», считая его неудовлетворительным, оригинальным, в надежде, что вот-вот откроется та истинная материя, которая пока не подтверждалась в теоретических расчётах, вопреки телескопическому сканированию некоторых спиральных галактик.

Но время шло, а несветящаяся гравитирующая материя в глубинах космоса никак не проявлялась. Вот тогда чисто теоретическая конструкция Цвикки стала укрепляться с быстро растущим и накапливающимся массивом астрономических и астрофизических данных.

В тот период авторы многих статей ссылаются на американского астронома Веру Рубин[7]7
  Вера Рубин родилась в Филадельфии в семье еврейских эмигрантов из Российской империи. Вместе со своим соавтором астрономом Кентом Фордом она исследовала движение звёзд вокруг галактических центров.


[Закрыть].

«Результаты, полученные Верой Рубин, оказались сенсационными: звёзды, вместо того чтобы двигаться согласно закону Кеплера, то есть уменьшать свою скорость с увеличением расстояния до галактического центра, двигались примерно с одинаковой скоростью на самых разных расстояниях от него. Словно каждую галактику обнимало массивное облако тёмной материи, которое весило гораздо больше звёздного диска галактик и заставляло звёзды двигаться гораздо быстрее, чем им полагалось исходя из массы звёздного диска» [86].

Скорость звёзд должна снижаться по мере удаления от ядра галактик, однако вместо этого она остаётся более-менее постоянной [87]. Как известно, закон, сформулированный И. Кеплером (1571–1630), звучит следующим образом: «скорость вращения планет падает с увеличением расстояния от Солнца», т. е. увеличение расстояния в четыре раза вызывает уменьшение скорости вращения в два раза.

Рис. 4.2. Набор кривых вращения галактик, представленный Верой Рубин в 1980 году на страницах Astrophysical Journal

4.4. В тщетных поисках тёмной материи

В настоящее время актуальной является гипотеза, согласно которой галактические гравитационные поля создаются невидимыми частицами, ускользающими от наблюдения. Их-то теперь и называют тёмной материей. Новые частицы – это сейчас некая столбовая дорога, по которой пытается проехать наука для объяснения существования тёмной материи.

Поскольку у тёмной материи не обнаруживалось барионных корней, учёные всё больше сосредотачивали внимание на нейтрино и других экзотических частицах. Эти частицы должны обладать массой в сотни и тысячи раз больше массы протона, но с обычной материей они взаимодействуют только гравитационно. Предполагаемыми кандидатами на роль таких частиц являются: нейтрали-но, аксино, аксионы, вимпзилло, гравитино и т. п. [88].

На роль тёмных частиц претендует ещё одна категория экзотических массивных частиц WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). На поиск этой частицы потрачены уже многие годы.

Когда зарождалась квантовая теория гравитации, то по всем фронтам искали гипотетическую частицу гравитон, предполагая, что она является переносчиком гравитации. Поскольку поиски гравитона не увенчались успехом, то её стали забывать. Зато теперь на свет появилась новая загадочная частица вимп, которая противоестественно избирательна. Эта частица не участвует ни в каких взаимодействиях с материальным миром, кроме гравитационного. Благодаря таким качествам она не обнаруживается на физическом уровне и только косвенно проявляется по гравитационному взаимодействию. Притом, судя по тому, как вимпы в галактиках разгоняют периферийные звёзды до огромных скоростей, этих частиц должно быть невероятно огромное количество. Но здесь возникает проблема: из легких фермионов тёмную материю не сотворишь из-за принципа Паули – в потенциальную яму их много не посадишь. В связи с этим вводится понятие тёмного галактического гало, состоящего из невидимых частиц, объектов, компенсирующих недостающую массу видимой материи. Размер такого гало оценивается в 50 килопарсек, т. е. оно должно занимать пространство намного дальше видимой части галактики.

Вимпы пытаются обнаружить и открыть как с помощью мощнейших инструментов, включая Большой адронный коллайдер, так и косвенно, по продуктам редких взаимодействий с видимой материей, для чего в разных странах построили подземные детекторы частиц тёмной материи, по сути это пассивные наблюдательные инструменты. Увы, в обоих направлениях результат отрицательный.

Тогда детекторы начали запускать в космос, ставить как на отдельных спутниках, так и на международной космической станции. В 2011 году для поиска частиц тёмной материи с помощью шаттла на МКС был доставлен бочкообразный магнитный спектрометр. Его вес почти 7 тонн, стоимость – 2 млрд долларов.

«AMS – самый дорогой научный эксперимент, когда-либо проводившийся на станции. Это продукт 17-летней работы более чем 500учёных в 16 странах… AMS также будет искать признаки неуловимой тёмной материи, которая, как подозревают учёные, проникает в космос, но ещё не обнаружена напрямую» [89].

Остаётся ещё одно место, куда стоит установить подобное «сито» – это Луна. И там учёные уж точно поймают неуловимые частицы, которые «ответят» за всё: за потерянное время, за потраченные материальные ресурсы и, прежде всего, за тёмную материю!

Моя мысль натыкается на аналогию с гравитоном – трудно отыскать то, чего в природе не существует.

Тем не менее учёные не унимаются и продолжают поиск, например, всем известный итальянский детектор DAMA. В сотне километров от Рима в полуторакилометровой толще горы Гран-Сассо расположена лаборатория. Природная экранировка позволяет остановить поток космических лучей, снизив его в миллион раз, чем на поверхности земли. В качестве рабочего вещества в эксперименте DAMA/LIBRA выбраны сцинтилляторы Nal(Tl), состоящие из йодида натрия (Nal) с добавлением таллия (Т1) в качестве активатора. Сцинтиллятор – это кристаллический стержень весом около 10 кг, в котором при столкновении WIMPs с ядром вещества должна возникнуть вспышка света. Свет усиливается фотоумножителями, расположенными на торцах сцинтиллятора, далее сигнал обрабатывается на компьютере [90, 91].

Американский детектор LUX установлен на глубине полутора километров в шахте бывшего золотого рудника Хоумстейк в американском штате Южная Дакота. Рабочее тело эксперимента – жидкий ксенон весом 370 кг.

И таких подземных детекторов уже больше десятка.

Всякая охота увлекательна, что с ружьём на дичь, что с детектором на тёмную материю. Вот и российские учёные увлеклись этим видом «спорта» и подошли весьма изобретательно: они решили порыбачить вим-пов и нейтрино в Байкале с помощью глубоководного нейтринного телескопа мультимегатонного масштаба. Телескоп BAIKAL-GVD состоит из восьми вертикальных тросов-стрингов, на которых, как гирлянды, висят оптические модули – 36 на каждом. Гирлянды развешаны на расстоянии 15 метров. Модули организованы в секции по 12 штук, логически и физически связаны между собой. Сигналы отправляются в свой центральный мастер-модуль, где информация обрабатывается и передаётся в основной модуль на центральном тросе, откуда по оптоволоконному кабелю отправляется на компьютеры береговой базы.

В России есть и детектор шахтного типа. Баксанская нейтринная обсерватория (БНО) ИЯИ РАН, одна из старейших, работает с 1973 года. У подножия горы Андырчи выстроен жилой посёлок с характерным названием Нейтрино, население которого обслуживает несколько наземных и подземных лабораторий в поисках неуловимых частиц.

Сегодня в мире десятки крупномасштабных подземных функционирующих лабораторий, включающих комплексы дополняющих друг друга уникальных установок для междисциплинарных исследований на стыке фундаментальной физики, астрофизики и геофизики.

Охота на вимпов – почти как охота на ведьм – успехов не приносит. С другой стороны, логика должна подсказывать учёным, что если тёмная материя никак себя не проявляет ни в каком электромагнитном диапазоне, то что-то не так с существующими теориями.