Темная-темная материя в темной-темной Вселенной
Большая наука замерла в ожидании ответов на принципиальные вопросы о строении материи и Вселенной. Один из них — какова природа темных материи и энергии, невидимых, но мощных сил, которые заставляют двигаться галактики совсем не так, как следует из обычных наблюдений и заслуженных теорий.
Темная (или скрытая) материя — понятие, которое в прошлом веке понадобилось астрофизикам для того, чтобы объяснить то, что они видят. Или, точнее, то, что они НЕ видят. Впервые на странность в наблюдаемых астрономами данных еще в 1932 году обратил внимание швейцарский астроном Фриц Цвики (Fritz Zwicky, 1898–1974). Он заметил, что скопление галактик, наблюдаемое в созвездии Волосы Вероники, вращается совсем не так, как следует из известных нам законов гравитации и механики: галактики, даже находящиеся на значительном отдалении от центра скопления, движутся примерно с теми же скоростями, что и расположенные ближе к центру.
Это явно противоречило элементарным законам физики, если считать, что наблюдаемая масса галактик (вычисляемая по их светимости) и их скорости (вычисляемые по красному смещению) вычислены правильно. Получалось, что общая наблюдаемая масса галактического скопления слишком мала, чтобы удерживать это скопление вместе, — нужна еще какая-то материя. Более того, по подсчетам астрофизиков получалось, что этой невидимой материи должно быть очень много, она должна составлять около 70% всей массы Вселенной.
На протяжении ХХ века на роль темной материи «проверялись» межзвездный газ, потухшие звезды — коричневые карлики на периферии галактик. Но всей этой массы явно не хватало на то, чтобы «вписаться» в наблюдаемую вооруженным телескопом и спектрометром взглядом картину Вселенной.
Оставив в стороне бритву Оккама, физики решили, что некоторая часть этой темной массы может быть горячей — например это могут быть высокоэнергетичные нейтрино, но основную ее часть (23%) составляют массивные частицы слабого взаимодействия. Они практически не участвуют в сильном (ядерном) и электромагнитном взаимодействии, однако, обладая достаточной массой, участвуют в гравитационном взаимодействии. Именно к ним, как к клею, «прилипает» и межзвездный газ, окружающий галактики, и сами галактики. Забавный поворот истории: в таком виде темная материя начинает напоминать тот самый эфир, на существовании которого физика настаивала до появления современной, постньютоновской физики.
В истории с темной материей в 1990-х годах произошел еще один поворот. Наблюдая вспышки далеких (а значит, и очень древних) сверхновых звезд, астрономы столкнулись с тем, что величина «красного смещения» спектра их излучения меньше ожидаемой.
По степени «красного смещения» — смещения цветового спектра удаляющихся от нас звезд в сторону красного цвета — астрономы вычисляют как скорость движения звезд, а также, поскольку речь идет об очень далеких и очень старых объектах, — скорость расширения Вселенной.
Красное смещение наблюдаемой суперновой не было и вполовину так ярко, как следовало ожидать из космологических теорий. Следовательно, звезда находилась дальше, чем думали ученые. Выводы были очевидны — скорость расширения Вселенной сейчас значительно превышает скорость ее расширения в прошлом. Вселенная не просто расширяется, но расширяется с ускорением. А подстегнуть это расширение могла какая-то скрытая сила. Ее назвали (уже неудивительно) темной энергией, которая, в отличие от темной материи, выступающей на стороне гравитационного взаимодействия, работала бы в противоположном направлении — раздвигая пространство Вселенной.
Самым простым, и привычным для теоретиков, решением было отождествление этой темной материи с космологической постоянной, введенной в 1917 году Альбертом Эйнштейном в уравнения общей теории относительности. Ее появление понадобилось для того, чтобы стационарная Вселенная, какой она виделась Эйнштейну в то время (и это в разгар Первой мировой и на фоне революций в Европе), не сжалась под воздействием всемирного тяготения и сохраняла свое постоянство. Но уже вскоре — в 1922 году — Александром Фридманом была сформулирована теория расширяющейся Вселенной, а в 1929 году Эдвином Хабблом с открытием красного смещения было получено доказательство того, что наша Вселенная расширяется. Впоследствии Эйнштейн сожалел о том, что придумал космологическую постоянную, с которой с тех пор непонятно было, что делать.
Открытие ускорения расширения Вселенной заставило вспомнить о космологической постоянной: в уравнениях Эйнштейна она же как раз и отвечает за расширение пространства. Но и с ней не все так гладко — значение, которое должна иметь эта постоянная, если выводить ее из современной теории элементарных частиц, оказывается большим, чем требуется астрономам…
Парадоксально, но одно из возможных решений вопроса требует радикального отказа от основной научной парадигмы, лежащей в основе физики. Не только Ньютон, но и Эйнштейн (да и большинство современных физиков) были уверены в том, что наша Земля не является центром Вселенной, занимая заурядное, среднестатистическое положение во космосе. Только это допущение позволяет нам экстраполировать научные наблюдения на всю Вселенную и утверждать, что мы что-то знаем о мире, в котором живем. Все эти обобщения, собственно, и позволяют ученым строить ту космологическую систему, которую мы имеем на сегодняшний день.
Но если предположить, что та область космоса, где нам выпало жить, не такая уж и заурядная, то это позволит отказаться от идеи темной энергии вообще. Картина кардинально меняется, если предположить, что мы живем в огромном кластере пространства, где плотность материи составляет половину или треть от среднего для Вселенной. Чем меньше материи, тем быстрее эта зона расширяется, ведь нечему задержать ее распространение.
Но для того чтобы объяснить все нестыковки в наблюдениях, пустота должна быть поистине космических масштабов, а наша планетная система находится в таком случае примерно в ее центре. О масштабах этого явления сейчас идут горячие споры среди специалистов по космологии. С одной стороны, самые большие упорядоченные структуры во Вселенной занимают около 200 миллионов световых лет, а на более значительных масштабах материя распределена равномерно. Есть ли неоднородность дальше?
Ученым приходится искать другие методы проверки научных умозаключений. Если данные, полученные от изучения взрывов сверхновых, можно интерпретировать как угодно, то, не исключено, помогли бы детальные измерения микроволнового излучения. Эта идея в 1995 году пришла в голову Джереми Гудмену из Принстонского университета, который тогда и не думал о парадоксах темной энергии. Все, чего он хотел, — протестировать коперниканский принцип и подтвердить его экспериментально. Он рассчитывал использовать удаленные скопления галактик в качестве «зеркал», через которые можно взглянуть на Вселенную с другой точки. Каждое из таких скоплений отражает определенную часть микроволновой радиации, и тщательно измеряя эти волны, астрономы могут представить, как Вселенная выглядит из этих, крайне удаленных от нас точек. И если бы эти наблюдения показали наличие расхождений с нашей картиной мира, это стало бы серьезным свидетельством в пользу существования каких-то пространственных аномалий.
Несколько групп исследователей, занявшихся проверкой гипотезы Гудмена, пока не смогли прийти к окончательным выводам. Окончательный вердикт сможет вынести спутник Plank, который будет запущен уже в этом апреле и займется детальным исследованием микроволнового излучения.
Что же касается темной материи, то, кажется, ученым удалось немного приблизиться к пониманию ее природы — или наткнуться еще на одну загадку. В 2008 году российско-итальянский спутник Pamela уже получил необычные результаты, обнаружив потоки позитронов высоких энергий. Почти одновременно с этим группа астрофизиков, занимающихся исследованиями комических лучей на станции в Антарктиде, объявили об обнаружении потоков электронов высокой энергии. И то и другое может быть результатом процесса аннигиляции, идущей в темной материи. Не исключен, впрочем, и другой вариант — не так далеко от Солнечной системы есть не замеченный ранее мощный излучающий объект.
Единожды лишив Землю ее центрального места в картине мира, наука, кажется, выбрала непростой путь постоянных перемен в наших представлениях об устройстве мироздания. Может быть, не случайно именно темная материя стала тем понятием, с помощью которого астрономы попытались объяснить природу Вселенной. Правда, для этого сначала надо будет понять, что она из себя представляет.
Темная (или скрытая) материя — понятие, которое в прошлом веке понадобилось астрофизикам для того, чтобы объяснить то, что они видят. Или, точнее, то, что они НЕ видят. Впервые на странность в наблюдаемых астрономами данных еще в 1932 году обратил внимание швейцарский астроном Фриц Цвики (Fritz Zwicky, 1898–1974). Он заметил, что скопление галактик, наблюдаемое в созвездии Волосы Вероники, вращается совсем не так, как следует из известных нам законов гравитации и механики: галактики, даже находящиеся на значительном отдалении от центра скопления, движутся примерно с теми же скоростями, что и расположенные ближе к центру.
Это явно противоречило элементарным законам физики, если считать, что наблюдаемая масса галактик (вычисляемая по их светимости) и их скорости (вычисляемые по красному смещению) вычислены правильно. Получалось, что общая наблюдаемая масса галактического скопления слишком мала, чтобы удерживать это скопление вместе, — нужна еще какая-то материя. Более того, по подсчетам астрофизиков получалось, что этой невидимой материи должно быть очень много, она должна составлять около 70% всей массы Вселенной.
На протяжении ХХ века на роль темной материи «проверялись» межзвездный газ, потухшие звезды — коричневые карлики на периферии галактик. Но всей этой массы явно не хватало на то, чтобы «вписаться» в наблюдаемую вооруженным телескопом и спектрометром взглядом картину Вселенной.
Оставив в стороне бритву Оккама, физики решили, что некоторая часть этой темной массы может быть горячей — например это могут быть высокоэнергетичные нейтрино, но основную ее часть (23%) составляют массивные частицы слабого взаимодействия. Они практически не участвуют в сильном (ядерном) и электромагнитном взаимодействии, однако, обладая достаточной массой, участвуют в гравитационном взаимодействии. Именно к ним, как к клею, «прилипает» и межзвездный газ, окружающий галактики, и сами галактики. Забавный поворот истории: в таком виде темная материя начинает напоминать тот самый эфир, на существовании которого физика настаивала до появления современной, постньютоновской физики.
В истории с темной материей в 1990-х годах произошел еще один поворот. Наблюдая вспышки далеких (а значит, и очень древних) сверхновых звезд, астрономы столкнулись с тем, что величина «красного смещения» спектра их излучения меньше ожидаемой.
По степени «красного смещения» — смещения цветового спектра удаляющихся от нас звезд в сторону красного цвета — астрономы вычисляют как скорость движения звезд, а также, поскольку речь идет об очень далеких и очень старых объектах, — скорость расширения Вселенной.
Красное смещение наблюдаемой суперновой не было и вполовину так ярко, как следовало ожидать из космологических теорий. Следовательно, звезда находилась дальше, чем думали ученые. Выводы были очевидны — скорость расширения Вселенной сейчас значительно превышает скорость ее расширения в прошлом. Вселенная не просто расширяется, но расширяется с ускорением. А подстегнуть это расширение могла какая-то скрытая сила. Ее назвали (уже неудивительно) темной энергией, которая, в отличие от темной материи, выступающей на стороне гравитационного взаимодействия, работала бы в противоположном направлении — раздвигая пространство Вселенной.
Самым простым, и привычным для теоретиков, решением было отождествление этой темной материи с космологической постоянной, введенной в 1917 году Альбертом Эйнштейном в уравнения общей теории относительности. Ее появление понадобилось для того, чтобы стационарная Вселенная, какой она виделась Эйнштейну в то время (и это в разгар Первой мировой и на фоне революций в Европе), не сжалась под воздействием всемирного тяготения и сохраняла свое постоянство. Но уже вскоре — в 1922 году — Александром Фридманом была сформулирована теория расширяющейся Вселенной, а в 1929 году Эдвином Хабблом с открытием красного смещения было получено доказательство того, что наша Вселенная расширяется. Впоследствии Эйнштейн сожалел о том, что придумал космологическую постоянную, с которой с тех пор непонятно было, что делать.
Открытие ускорения расширения Вселенной заставило вспомнить о космологической постоянной: в уравнениях Эйнштейна она же как раз и отвечает за расширение пространства. Но и с ней не все так гладко — значение, которое должна иметь эта постоянная, если выводить ее из современной теории элементарных частиц, оказывается большим, чем требуется астрономам…
Парадоксально, но одно из возможных решений вопроса требует радикального отказа от основной научной парадигмы, лежащей в основе физики. Не только Ньютон, но и Эйнштейн (да и большинство современных физиков) были уверены в том, что наша Земля не является центром Вселенной, занимая заурядное, среднестатистическое положение во космосе. Только это допущение позволяет нам экстраполировать научные наблюдения на всю Вселенную и утверждать, что мы что-то знаем о мире, в котором живем. Все эти обобщения, собственно, и позволяют ученым строить ту космологическую систему, которую мы имеем на сегодняшний день.
Но если предположить, что та область космоса, где нам выпало жить, не такая уж и заурядная, то это позволит отказаться от идеи темной энергии вообще. Картина кардинально меняется, если предположить, что мы живем в огромном кластере пространства, где плотность материи составляет половину или треть от среднего для Вселенной. Чем меньше материи, тем быстрее эта зона расширяется, ведь нечему задержать ее распространение.
Но для того чтобы объяснить все нестыковки в наблюдениях, пустота должна быть поистине космических масштабов, а наша планетная система находится в таком случае примерно в ее центре. О масштабах этого явления сейчас идут горячие споры среди специалистов по космологии. С одной стороны, самые большие упорядоченные структуры во Вселенной занимают около 200 миллионов световых лет, а на более значительных масштабах материя распределена равномерно. Есть ли неоднородность дальше?
Ученым приходится искать другие методы проверки научных умозаключений. Если данные, полученные от изучения взрывов сверхновых, можно интерпретировать как угодно, то, не исключено, помогли бы детальные измерения микроволнового излучения. Эта идея в 1995 году пришла в голову Джереми Гудмену из Принстонского университета, который тогда и не думал о парадоксах темной энергии. Все, чего он хотел, — протестировать коперниканский принцип и подтвердить его экспериментально. Он рассчитывал использовать удаленные скопления галактик в качестве «зеркал», через которые можно взглянуть на Вселенную с другой точки. Каждое из таких скоплений отражает определенную часть микроволновой радиации, и тщательно измеряя эти волны, астрономы могут представить, как Вселенная выглядит из этих, крайне удаленных от нас точек. И если бы эти наблюдения показали наличие расхождений с нашей картиной мира, это стало бы серьезным свидетельством в пользу существования каких-то пространственных аномалий.
Несколько групп исследователей, занявшихся проверкой гипотезы Гудмена, пока не смогли прийти к окончательным выводам. Окончательный вердикт сможет вынести спутник Plank, который будет запущен уже в этом апреле и займется детальным исследованием микроволнового излучения.
Что же касается темной материи, то, кажется, ученым удалось немного приблизиться к пониманию ее природы — или наткнуться еще на одну загадку. В 2008 году российско-итальянский спутник Pamela уже получил необычные результаты, обнаружив потоки позитронов высоких энергий. Почти одновременно с этим группа астрофизиков, занимающихся исследованиями комических лучей на станции в Антарктиде, объявили об обнаружении потоков электронов высокой энергии. И то и другое может быть результатом процесса аннигиляции, идущей в темной материи. Не исключен, впрочем, и другой вариант — не так далеко от Солнечной системы есть не замеченный ранее мощный излучающий объект.
Единожды лишив Землю ее центрального места в картине мира, наука, кажется, выбрала непростой путь постоянных перемен в наших представлениях об устройстве мироздания. Может быть, не случайно именно темная материя стала тем понятием, с помощью которого астрономы попытались объяснить природу Вселенной. Правда, для этого сначала надо будет понять, что она из себя представляет.
Иван Люков, Владимир Харитонов
chaskor.ru
chaskor.ru
44940