Текст книги "На стыке двух тысячелетий. Научная публицистика дипломата"

Свет в конце Вселенной

Тёмная энергия – гравитационное проявление тёмной материи

Накануне Нового года четвёртый канал Би-би-си, ориентированный на англоязычных слушателей, организовал серию передач под названием Light and Dark («Свет и тьма»), где в центре внимания было выступление специалиста по проблемам тёмной материи профессора Джима Аль-Халили. «Мощное публичное освещение открытия бозона Хиггса привело многих к убеждению в том, что, дескать, наконец мы раскрыли последний блок наших фундаментальных знаний реальной действительности, – подчеркнул Аль-Халили. – Но это далеко не так. Многие будут шокированы услышать, что, к сожалению, пока мы знаем лишь 5 % того, из чего состоит наша Вселенная, а остальные 95 % – для нас пока закрытая тайна».

Итак, четверть массы Вселенной состоит из тёмной материи (dark matter), которая никак не хочет войти в контакт с обычной материей, и мы не знаем никаких её параметров, а главное, её сущности. При этом учёные предполагают, что тёмное вещество с такой же лёгкостью проникает всюду, в том числе и в наши жилища, но оно совершенно неуловимо: поймать его – это всё равно как попытаться уловить собственную тень под лучами Солнца.

Приманка для вимпов

«Поиски тёмной материи приближаются к финальной стадии». 20 октября 2013 г. с таким заявлением выступил один из крупных специалистов по dark matter, профессор Лондонского университета Чамкаур Гхаг. Профессор Гхаг – участник коллаборации Large Underground Xenon (LUX, «Большой подземный ксенон»), новейшего экспериментального проекта США. Он подчеркнул, что хотя этот самый чувствительный в мире детектор, предназначенный для выявления существования тёмной материи, пока ещё не обнаружил каких-либо явных признаков этого загадочного вещества, тем не менее трёхмесячный период испытания оставил явно оптимистические ноты для продолжения более глубоких исследований в предстоящем 2014 г. Участники коллаборации попеременно в течение 300 дней будут находиться в лаборатории на глубине 1600 метров под землёй, где установлено оборудование LUX.

Лаборатория эта была оборудована в заброшенной шахте по добыче золота в штате Южная Дакота (США). Шахта знаменита ещё тем, что почти полвека тому назад американские учёные именно там впервые зафиксировали нейтрино – частицы, испускаемые Солнцем.

Несколько слов о том, что представляет собой LUX и как он будет «охотиться» за тёмной материей (ТМ).

Под титановым корпусом детектора находятся под давлением атомы ксенона, очень лёгкого стабильного элемента. Ксенон – инертный газ, то есть он не вступает в нежелательные химические реакции.

Учёные исходят из того, что тёмная материя, составляющая основную массу метагалактики, состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Миллионы «вимпов» ежесекундно проходят сквозь нас и мимо нас, не оставляя никаких следов, поскольку, в отличие от субатомных частиц, они не имеют электрического заряда и «не подчиняются» никаким законам электромагнитных колебаний любого диапазона. Причём, как полагают учёные, количество «вимпов» во Вселенной в пять-шесть раз больше частиц обычной барионной материи, то есть протонов, электронов, нейтронов…

Главная проблема исследователей, работающих на LUX, равно как и предыдущих опытов в США и Западной Европе, заключается в том, что небарионные частицы ТМ чрезвычайно слабо взаимодействуют с частицами обычной материи. По этой же причине частицы ТМ не взаимодействуют и с фотонами света, однако свет испускается оттуда, где есть ТМ. Именно это свойство гравитационной неустойчивости ТМ сделало возможным изучение по астрофизическим наблюдениям количества, состояния и распределения тёмной материи.

Экспериментаторы LUX рассчитывают, что частицы ТМ могут пролететь рядом с атомом ксенона, выбить из него электрон, и детектор немедленно зарегистрирует это явление как «приобретённый» заряд. Установка LUX состоит из более чем сотни электронных фотодетекторов.

Другая немаловажная проблема заключается в том, что пока никто не знает хотя бы примерную массу предполагаемых частиц ТМ: здесь огромный диапазон предположений – от 10 до 100 ГэВ и, возможно, даже больше. Многие считают, что масса «вимпов» в 100–150 раз превышает массу протона. В LUX в качестве «приманки вимпов» привлечён ксенон, атом которого примерно в 130 раз превышает массу протона – стало быть, поиск направлен на «захват» тяжёлых «вимпов». Впрочем, это отнюдь не означает, что LUX не сможет «принять» и лёгкие «вимпы», если они там появятся.

Более того, как заявил другой участник проекта LUX, доктор Ричард Гейтскелл из Браунского университета, чувствительность детектора LUX к тяжёлым «вимпам» в два раза превышает чувствительность детектора любой другой коллаборации; для лёгких «вимпов» это превосходство составляет почти 20 раз. В таком же духе высказался и ядерный физик из Йельского университета доктор Макканзи: «На начальном этапе нам нужно было выяснить потенциальные возможности нашего сверхчувствительного детектора и исключить неперспективные направления проекта, что нам удалось сделать без особого труда».

Возвращаясь к высказываниям доктора Гхага, который до прибытия в США участвовал и в двух европейских подземных проектах по поискам ТМ (в Италии и Франции), отметим его особую вдохновлённость перспективами LUX. Вот что говорит доктор Гхаг: «В течение года мы уверенно проникнем в понимание природы тёмной материи гораздо глубже, чем это было сделано во всех экспериментах до нас. Если ТМ существует в такой форме, как мы предполагаем, и её частицы в состоянии войти во взаимодействие с нашим сверхчувствительным детектором, мы очень скоро сможем зафиксировать параметры ТМ. Я абсолютно убеждён, что до конца текущего десятилетия мы сможем раскрыть тайны тёмной материи, и здесь LUX будет в первых рядах этого события».

Весьма показательны также оценочные комментарии других исследователей проблемы ТМ, не вовлечённых в проект LUX. Так, профессор Ноттингемского университета доктор Анна Грин подчеркнула, что LUX, располагая сверхчувствительным детектором, сделал большой шаг вперёд. LUX, несомненно, является хорошим дополнительным инструментом к проводимым за последние два-три года исследованиям в рамках экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК). «Поскольку пока мы не знаем никаких конкретных параметров ТМ и так называемых условных частиц «вимпов», мы должны проводить эксперименты в различных направлениях и масштабах, чтобы добиться получения последовательных и устойчивых сигналов частиц тёмной материи», – подчеркнула Грин.

В поисках аксионов

Существенно и то, что если участникам проекта LUX в ближайшее время не удастся выйти на точный след ТМ, то у коллаборации имеется запасной вариант – они очень скоро планируют запустить ещё более крупный проект с гораздо более чувствительным детектором LUX-ZEPLIN. А уж если и после этого не удастся со всей убедительностью обнаружить искомые частицы тёмной материи, то физикам придётся признать нынешнюю концепцию о тёмной материи ошибочной и искать другую, более всеобъемлющую теорию.

Любопытно, что как раз в разгар научных дискуссий вокруг успешного запуска проекта LUX в самом престижном американском журнале «Science» (November 1, 2013, vol. 342) появилась статья доктора Адриона Чо под весьма интригующим, почти детективным заголовком – «Dark Matter’s Dark House» («Тёмный дом тёмной материи»). Речь идёт о небольшом по своим масштабам проекте под названием The Axion Dark Matter Experiment (ADMX).

Установка представляет собой металлический цилиндр длиною всего 4 м. Что в него будет вложено и как будет происходить сам эксперимент, пока не раскрывается. Место нахождения установки – Центр экспериментальной ядерной физики и астрофизики Вашингтонского университета. Цель – поиски гипотетической нейтральной частицы аксион, которая, согласно теории квантовой хромодинамики, должна быть чрезвычайно лёгкой (около 10 эВ). По предположениям учёных, именно аксионы должны составлять существенную часть холодной тёмной материи, чья гравитационная сила удерживает галактики от распада.

Автор статьи подчёркивает, что аксионы, видимо, являются тёмным домом для тёмной материи. Хотя многие физики придерживаются другой точки зрения – теории слабо взаимодействующих массивных частиц – «вимпов», однако усиленные поиски в этом направлении пока никак не доказали существование этих «вимпов». В проекте ADMX учёные планируют дать чёткий ответ – являются ли аксионы составной частью тёмной материи нашей Вселенной или их вовсе не существует.

В уходящем году было немало научных дискуссий и публикаций по тематике ТМ. На наиболее интересных моментах хотелось бы немного остановиться ниже.

Европейцы ставят на БАК

В последние годы усилия научного сообщества по поиску тёмного вещества заметно активизировались, причём в трёх пространствах: под землёй, на открытых площадках и в космосе. По уточнённым данным телескопа «Планк» Европейского космического агентства, Большой взрыв, в результате которого родилась наша Вселенная, произошёл 13 млрд 820 млн лет тому назад. Доля тёмного вещества в массе Вселенной оказалась немного больше, чем предполагалось раньше, – 26,8 %, тёмной энергии чуть меньше – 68,3 %, масса привычной нам материи составляет всего 4,9 %.

На ежегодном конгрессе Американского физического общества, состоявшемся в апреле 2013 г. в Денвере (штат Колорадо), учёные обнародовали предварительные результаты экспериментов по поискам тёмного вещества, проведённых за последние годы в криогенной подземной лаборатории в штате Миннесота.

Учёные утверждают, что детекторы лаборатории, находящиеся в глубокой шахте, где температурный режим аналогичен тому, что и в глубоком космосе, зафиксировали новую тяжёлую частицу, которая, возможно, является неким базовым элементом тёмного вещества. По теоретическим оценкам, её масса должна превышать массу протона примерно в девять раз, хотя в упомянутом эксперименте это выглядит значительно меньше.

Европейские учёные, как и их американские коллеги, продолжают работать в тех же и в других направлениях. Так, например, недавно в престижном американском издании Physical Review Letters появилась публикация европейских учёных о предварительных итогах экспериментов, проведённых в подземной лаборатории в Италии по проекту Ксенон (Xenon). Цели те же – поиски тёмного вещества. Не исключено, что европейцы идут здесь по другому пути, что, безусловно, для самой науки является весьма позитивным явлением.

Европейцы активно работают в двух основных плоскостях: под землёй, в рамках программы БАК, и в космосе, где космический близнец БАК альфа-магнитный спектрометр (АМС), находящийся на борту МКС, с конца 2011 г., изучая космические частицы высокой энергии, целенаправленно отслеживает признаки проявления частиц тёмного вещества. На этом проекте надо более подробно остановиться.

В опубликованной коллаборацией АМС в апрельском номере журнала Physical Review Letters статье утверждается, что детекторы этого космического телескопа, возможно, зафиксировали признаки взаимодействия тёмного вещества в спектре высоких энергий. Детекторы АМС круглосуточно фиксируют частицы космических лучей до их столкновения с атмосферой Земли. Причём главной целью является выявление из этого огромного массива частиц тёмного вещества.

За полтора года детекторы АМС «выдали на гора» сведения о более чем 30 млрд частиц космического излучения, не достигших атмосферных слоёв. Пока обработано лишь около 10 % этих данных. Для окончательной обработки потребуется пара лет, к тому времени свои исследования в этом направлении начнёт и БАК.

Детекторы АМС с большой точностью фиксируют число электронов и позитронов, проходящих через них космических лучей высокой энергии с привязкой к определённому периоду. В публикации особо выделяется необычный эпизод времени, если так можно выразиться, когда привычное соотношение между электронами и протонами заметно изменилось по сравнению с предыдущим периодом. Зафиксировано заметное снижение числа протонов, что, по мнению исследователей, возможно, свидетельствует об аннигиляции тёмного вещества.

В упомянутом эпизоде на 400 тыс. электронов приходится значительно меньше протонов, чем должно было быть по законам Стандартной модели. Значит, это признак каких-то столкновений на пути следования космических лучей: аннигиляция тёмного вещества или обычная аннигиляция вещества с антивеществом, приходящим к нам из далёких галактик. Продолжение этих исследований, как полагает профессор Сэм Тинг из группы АМС, и получение более конкретных сведений в детекторах позволят выявить параметры тёмного вещества. Частицы ТМ, по предположениям теоретиков, должны составлять массу, насчитывающую несколько сот гигоэлектроновольт, в то время как масса протока входящего в любой атом обычного вещества не превышает одного гигоэлектроновольта.

Безусловно, АМС для сообщества европейских учёных – одно из главных направлений по поискам тёмного вещества. Как уже отмечалось, ведутся работы в подземных лабораториях, где детекторы вылавливают космические частицы, пропуская их через ксенон или аргон. Но самые большие надежды учёные возлагают на БАК, где предполагают на каком-то этапе осуществить искусственное производство частиц тёмного вещества.

Комментируя по моей просьбе проблему сущности тёмного вещества и проводимых в этой сфере исследований, известный российский учёный, занимающийся квантовой механикой, академик РАН Самвел Григорян заявил, что в своих статьях, опубликованных несколько лет тому назад в российских и китайских научных изданиях, он чётко высказался о том, что тёмное вещество представляет собой каскад частиц – остатков первых поколений звёзд Вселенной. А тёмная энергия, возможно, в какой-то степени является гравитационным проявлением тёмного вещества. «Я уверен, что проводимые интенсивные экспериментальные исследования по поискам тёмного вещества в различных сферах пространства подтвердят мои теоретические предсказания», – подчеркнул Самвел Григорян, академик трёх национальных академий – российской, китайской и армянской.

Темнее некуда

Безусловное превосходство европейской науки в открытии фундаментальной частицы Стандартной модели бозона Хиггса, как в теоретическом обосновании (что было отмечено Нобелевской премией 2013 г. двух европейских учёных), так и в подтверждении этого в экспериментах на БАК, видимо, подтолкнёт американское научное сообщество занять доминирующие позиции в поисках тёмной материи. Цель – заложить фундаментальные основы в создании Стандартной модели космологии (СМК).

Это чем-то напоминает советско-американское соперничество в космосе в середине ХХ в., когда американские власти в интересах политического престижа и доказательства экономической мощи страны пошли на создание многомиллиардной программы по высадке первого человека на Луну. Что в конечном счёте привело к американскому превосходству в космосе на долгие годы. Впрочем, тёмная материя манит не только американцев и европейцев. По мнению президента Академии наук КНР Лу Юнсяна, Китай должен внести свой весомый вклад в осуществление прорыва в познании Вселенной. С этой целью КНР планирует разработку современной аппаратуры для изучения тёмной материи и тёмной энергии, детекторов элементарных частиц в космосе и глубоко под землёй, будут также построены для этих же целей несколько крупных телескопов в Антарктиде.

Получит ли нынешнее американское научное сообщество такую же поддержку от своего руководства в условиях продолжающегося финансово-экономического кризиса – остаётся под вопросом. В частности, о позитивном тренде можно будет судить, когда NASA удастся завершить проект по строительству мощного космического телескопа James Webb Space Telescope (JWST), главная цель которого – увидеть «первый свет» во Вселенной. Это, надо полагать, будет способствовать и раскрытию тайны тёмной материи и, возможно, даже тёмной энергии.

Впервые опубликовано в «НГ – Наука» 25.12.2013

«Ферми» разглядел тёмную материю

Самую загадочную субстанцию Вселенной, кажется, нащупали в астрономических данных

Пожалуй, самой большой загадкой астрофизиков, да и всего учёного сообщества, продолжает оставаться так называемая тёмная материя, составляющая около 96 % всей массы Вселенной. И только 4 % приходится на привычное нам вещество. Остальное либо «тёмная энергия» (73 %), либо тёмное вещество (23 %). О тёмной материи много говорят и пишут. Она даёт о себе знать только по некоторым гравитационным эффектам, чрезвычайно слабо взаимодействует как с обычным веществом, так и со светом. В истекшем году на научном интернетовском ресурсе ArXiv, где, как правило, учёные обкатывают свои предварительные размышления, было опубликовано несколько научных заметок, в которых высказывается предположение о наличии в огромном массиве данных, полученных от телескопа «Ферми», некоторых признаков того, что можно было бы отнести к сущности тёмной материи. Речь идёт прежде всего о необычных сигналах в спектре гамма-излучения, исходящих из центра Галактики.

Это сообщение получило положительный отклик и у команды учёных космического телескопа «Ферми», которая обратилась к учёному сообществу с призывом высказать свои идеи и соображения относительно того, как лучше ориентировать телескоп для более углублённого поиска тёмной материи. Ведущая научная сотрудница проекта «Ферми» доктор Джулия Мэкенри заявила, что они готовы откорректировать научную программу «Ферми», если появятся достойные идеи. «Если мы хотим использовать телескоп «Ферми» для этих целей, мы не можем ограничиться лишь определением того, где находится тёмное вещество, важно добиться фундаментального понимания его сущности», – добавила доктор Мэкенри.

Космический телескоп «Ферми» стоимостью порядка 500 млн долларов, оснащённый высокотехнологическими приборами, провёл огромную работу в спектре гамма-излучений. Он анализировал данные от мощных космических источников высокой энергии. За многие годы «охоты» за мощными гамма-излучениями во Вселенной «Ферми» добился выдающихся результатов в исследовании мощнейших энергетических процессов, происходящих в нашей Вселенной. Наиболее важный итог – составлен детальный каталог нейтронных звёзд, известных в астрофизике как пульсары. К тому же «Ферми» зафиксировал немалое число супермассивных чёрных дыр.

Многие учёные проявляют в этой связи определённую настороженность относительно необходимости настройки «Ферми» в сторону поисков тёмной материи. Выдающийся астрофизик Ларс Бергстром, опубликовавший ещё в 1980-х гг. свои размышления о тёмной материи в престижном журнале Physical Review, заявил, что заметки в ArXiv относительно так называемых сигналов «пушечного выстрела», якобы свидетельствующих об аннигляции тёмного вещества, требуют серьёзных уточняющих данных. «Мне кажется, – добавил учёный, – на этот вопрос мы можем получить ответ уже в этом году после ввода в строй пятого телескопа в Хессе, находящегося в Намибии. Я имею в виду решение вопроса: связаны ли упомянутые сигналы с «деятельностью» тёмной материи или они носят иной характер».

Другой известный астрофизик из Гарвардского университета, профессор Дуг Финквайнер также выразил сомнение в отношении преждевременного оптимизма по поводу «обнаружения» тёмной материи. В том же ArXiv, в одной из своих публикаций, Финквайнер отметил, что он один из первых высказался в пользу более активной настройки «Ферми» в сторону «пушечного» источника гамма-лучей, но это отнюдь не означает, что это явление связано именно с действиями тёмной материи.

Впервые опубликовано в «НГ – Наука» 13.03.2013

«Вояджер» улетел далеко и навсегда

Впервые в истории человечества космический зонд «Вояджер-1» становится рукотворным объектом, вышедшим за пределы Солнечной системы. Сообщение об этом в журнале Science опубликовано учёными NASA, запустившими два «Вояджера» в сентябре 1977 г. «Вояджер» – научный ветеран NASA – артефакт 70-х гг., сейчас находится на расстоянии 19 млрд км от Земли, но время от времени ещё подаёт радиосигналы, которые доходят до нас лишь через 17 часов. Первые сообщения о том, что пространственное местоположение «Вояджера» коренным образом изменилось, были получены в конце 2012 г. и в мае 2013 г. от находящегося на его борту измерителя «плазменных волн» (Plasma Wave Science, PWS), основная задача которого «регистрация» заряженных частиц вокруг «Вояджера». PWS зарегистрировал, что количество протонов в одном кубометре пространства увеличилось почти в 100 раз.

Учёные считают, что такое увеличение количества протонов как раз и является свидетельством того, что «Вояджер» освободился от магнитных полей и ветров заряженных частиц планет Солнечной системы. Сопоставив эти и другие данные, полученные от «Вояджера», учёные NASA пришли к выводу, что космический корабль покинул пространство Солнечной системы примерно 25 августа 2012 г.

Как известно, «Вояджеры» были запущены в космос с целью исследования четырёх планет Солнечной системы – Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, и к 1989 г. они полностью выполнили свою задачу. Затем они «устремились» в глубь космического пространства. Предполагают, что их ядерный источник питания на основе плутония способен обеспечить электричеством как приборы, так и передатчик с мощностью 20 ватт почти в течение 10 лет. Увы, зонды «Вояджер» никогда не смогут достигнуть окрестностей другой звезды – для этого им потребуется 40 тыс. лет полёта со скоростью 45 км в секунду. Для выхода на орбиту центра нашей галактики им потребовалось бы несколько миллиардов лет.

Впервые опубликовано в «НГ – Наука» 25.09.2013