Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

Поздняя осень, ясная погода, ночь. Вы высоко в горах. Назойливые огни города слишком далеко, а Луну не видно за горизонтом. Свет исходит лишь от звезд над вами — нескольких тысяч крошечных светящихся точек. Их свет слишком слабенький — даже зубную щетку не разглядеть, и кажется, что слова Яна Тейгена о тепле звезд на самом деле бессмысленны. Но не дайте этому скромному свету вас обмануть. Вы ведь знаете, что эти точки — далекие солнца, а многие из них еще и гораздо больше нашего. Да и Солнце совсем не маленькое: в него поместился бы миллион таких планет, как Земля, а его поверхность раскалена до нескольких тысяч градусов.

На востоке низко над горизонтом вы заметите созвездие Орион. Звезда на плече Ориона — Бетельгейзе — выделяется ярким красным свечением. Звезды типа Бетельгейзе называются красными сверхгигантами. Она настолько огромна, что вместила бы три миллиарда наших солнц. Но, несмотря на невероятные размеры, из-за большого расстояния не стоит ждать от Бетельгейзе тепла.

За Бетельгейзе и другими звездами можно разглядеть белую туманную полосу, растянувшуюся по небу, — Млечный Путь.

^{Все звезды, которые мы видим по ночам, — это часть Млечного Пути. Наибольшие скопления звезд располагаются ближе к центру галактического диска (позже мы поговорим об этом подробнее). Со стороны это похоже на светящуюся полосу на небе. Эта фотография Млечного Пути была сделана с вершины острова Пальма (архипелаг Канарские острова), из точки, расположенной неподалеку от Северного оптического телескопа.}

Если хорошенько вглядеться, то заметно, что эта полоса тоже состоит из мириад звезд, которые так слабо светят и расположены настолько близко друг к другу, что их невозможно различить невооруженным взглядом. Мы и все одиночные звезды, видимые нам, — это часть Млечного Пути.

Во Вселенной много других галактик. Очень много. В каждой галактике мириады звезд. Тут трудно не восхититься — и вот вы уже занимаете свое место в ряду восхищенных наблюдателей за звездами, а начало этой вереницы было положено еще при зарождении человечества. Если не раньше. Но вы, в отличие от ваших любующихся звездами предшественников, живете во время, когда мы действительно начали понимать, на что смотрим: размеры, движение и хронологические рамки постепенно встают на свое место. К тому же в последние десятилетия наши знания о Вселенной значительно расширились.

Тем не менее головоломка Вселенной содержит в себе множество вопросительных знаков. Наверное, два самых важных неотвеченных вопроса — это что скрывается за причудливыми субстанциями, которые мы называем «темная энергия» и «темная материя». Мы полагаем, что Вселенная на 95 процентов состоит из них. И в то же время никто сегодня не способен ответить, чем же являются эти неведомые, даже забавные составляющие. Но что-то мы все же знаем. Например, что как темная материя, так и темная энергия незримы. Свет они не излучают и не отражают, оставаясь прозрачными, будто только что помытое окно. А еще их во Вселенной огромное количество. Возникает все больше вопросов. Если темная энергия и темная материя незримы, откуда мы вообще знаем, что они существуют? И в таком случае где они? А на Земле есть темная материя и темная энергия? И что же такое на самом деле темная материя и темная энергия?

Может, вы уже настроены недоверчиво? На это у вас имеются все основания. Утверждать существование невидимого вещества с научно-фантастичным названием — заявление смелое. А смелые заявления требуют надежных доказательств.

(Фраза Extraordinary claims require extraordinary evidence стала известна благодаря астроному и популяризатору Карлу Сагану, но, вероятно, первоначально ее сказал социолог и скептик Марсело Труцци.)

В этой книге мы обсудим, почему темная материя и темная энергия необходимы для понимания Вселенной, в которой мы живем, и почему их должно быть настолько много. Мы также попробуем понять, чем являются темная материя и темная энергия. И хотя пока мы не знаем, что такое темная материя и темная энергия, нам известно многое о возможных свойствах этих субстанций. Это дает нам возможность спекулировать, фантазировать и выдвигать обоснованные фактами догадки. Более того, мы посмотрим, каким образом в ближайшие годы нам все же может стать известно больше о природе темной материи и энергии. В погоне за ними мы отправимся в путешествие по Вселенной, за пределы Солнечной системы и нашей Галактики. А еще вернемся в прошлое, к самому рождению Вселенной. И обратно. Мы погрузимся в микроскопический квантовый мир. Поближе познакомимся с силой тяжести, светом, физической составляющей невидимости, взрывающимися звездами-гигантами, сталкивающимися галактическими комками, сверхчувствительными детекторами в глубоких шахтах, гениальными учеными, сферическими ублюдками и судьбой Вселенной. И все это — в попытке понять огромную Вселенную, которая смотрит на нас холодными осенними ночами.

1.1. Невидимые яблоки Ньютона

Начнем с небольшого вступления, посвященного понятиям темной материи и темной энергии. Для этого мы прокрадемся в английский яблоневый сад одного из величайших физиков в истории.

Вы узнаете его по парику-облаку с завитками, белым чулкам и одержимости алхимией и мистицизмом. Но прежде всего британец Исаак Ньютон (1642–1727) был величайшим на свете математиком и физиком. Он, например, открыл закон всемирного тяготения, согласно которому сила, притягивающая нас к Земле, — это та же сила, что заставляет Луну обращаться вокруг Земли, а Землю — вокруг Солнца. Сила тяжести играет ключевую роль в охоте на темную материю и темную энергию.

Вы же слышали историю про Ньютона и яблоко? Про то, как сила тяжести сама открылась ученому, когда тот сидел под деревом и яблоко упало ему на голову? Этот миф, конечно, слишком хорош, красив и прост, чтобы быть правдой. Но Исаак Ньютон, несомненно, проводил много времени в яблоневом саду, да и сам, можно сказать, всячески поддерживал эту версию. Друг Ньютона и его первый биограф Уильям Стьюкли впоследствии так описывает одну из встреч с ученым: «…Мы прогуливались в саду и пили чай в тени яблони, только он и я. Он упомянул, что в такой же обстановке задумался и о понятии гравитации. „Почему яблоки всегда падают перпендикулярно земле?“ — пришло ему как-то в голову, когда прямо перед ним упало яблоко».

Здесь Ньютон сам упоминает яблоко, хотя на голову ему ничего не падало, разве что в переносном смысле. С яблоком или без, Ньютон обращает внимание на важную характеристику яблок или любой другой материи: они падают вниз — прямо вниз. Но почему? Вот что рассказывает Стьюкли: «…наверняка их притягивает Земля. Должно быть, в материи есть какая-то притягивающая сила». Таким образом, если материя притягивает материю, то это должно быть пропорционально множеству. Следовательно, яблоко притягивается к Земле так же, как Земля притягивается к яблоку. Земля притягивает яблоко, а яблоко — Землю. Чем больше масса, тем сильнее притяжение. Впрочем, проведем сначала небольшой мысленный эксперимент. Представим, что яблоко состояло из темной материи. Что бы тогда увидел Ньютон?

Ну, во-первых, яблоко из темной материи было бы невидимым. Ну ладно, представим ради эксперимента, что Ньютон вытащил из белых кудрей своего парика волшебные очки от невидимости. Что бы он увидел? Уж точно ничего похожего на яблоко. Обычное яблоко связывает в себе атомы и молекулы, они составляют его, склеиваются друг с другом, образуя форму яблока. У темной материи формы нет. Если бы нам удалось создать комок темной материи, как яблоко, например, то это яблоко сразу же потеряло бы форму из-за разлетающихся, разбегающихся, как школьники в парке развлечений, частиц. Странное дело, да.

Но что, если нам все же удалось бы сохранить форму яблока из темной материи? Что произошло бы? Яблоко бы упало на землю благодаря силе тяжести точно так же, как и обычное яблоко! Так что, хотя темная материя невидима и у нее нет формы, это все же материя, а значит, у нее есть масса и она сколько-то да весит. И если темная материя сколько-то да весит, она может притягивать другую материю и притягиваться сама, следуя все тому же закону всемирного тяготения, что и обычные яблоки.

Таким образом, яблоко из темной материи упадет на землю. Наш друг Ньютон в белых чулках и волшебных очках от невидимости наблюдает, ничуть не удивляясь, как падает яблоко. А потом ученого ждет сюрприз: достигнув земли, яблоко не останавливается, в отличие от обычного, а продолжает стремиться вниз, к центру Земли. Озадаченный ученый долго сидит и почесывает одетую в парик голову. Но вот через полтора часа после исчезновения яблоко появляется снова.

(Согласно последним данным, это происходит примерно через 70 минут. Примечание научного редактора.)

Оно выпрыгивает в воздух из земли. Однако сила тяжести затормаживает яблоко, и вскоре оно поворачивает обратно к земле. И таким образом яблоко из темной материи продолжает с определенной периодичностью исчезать и появляться перед Ньютоном. Каждый раз перед тем, как выскочить из-под земли в саду Ньютона, оно доходит до центра Земли и выныривает с другой стороны.

^{Ньютон в очках от невидимости с удивлением наблюдает, как яблоко из темной материи возвращается обратно, совершив путешествие сквозь Землю.}

Этот эксперимент иллюстрирует ключевые характеристики темной материи:

Темная материя невидима.

Темная материя не имеет формы.

У темной материи есть масса, и благодаря силе тяжести темная материя подвергается такому же влиянию, как и обычная материя.

Темная материя не сталкивается ни с обычной материей, ни с другими темными материями. И этого невидимого, неосязаемого вещества во Вселенной очень много. Так много, что на каждый килограмм обычной материи приходится пять килограммов темной материи. Однако видимая и темная материя вместе составляют лишь 30 процентов нашей Вселенной: пять процентов — обычная материя и 25 процентов — темная материя. Остальные 70 процентов составляет то, что мы называем темной энергией. Что же это такое?

^{Содержание Вселенной. Все, что мы видим, относится к узкому кусочку пирога с обычной материей.}

Мы возвращаемся назад в яблоневый сад, но пусть на этот раз яблоко состоит из темной энергии. Что произойдет тогда? Яблоко опять было бы невидимым, и, подобно яблоку из темной материи, яблоко из темной энергии не имело бы формы и не сталкивалось бы с обычной материей. А вот что с силой тяжести? Упало бы яблоко из темной энергии вниз так же, как яблоко из темной материи? Нет. Яблоко бы упало, но вверх.

Для темной энергии характерна отталкивающая гравитация. То, что гравитация может быть как отталкивающей, так и притягивающей, — факт не очень широко известный. Большинство из нас видели, как, в зависимости от положения, притягиваются или отталкиваются друг от друга два магнита. Но отталкивающая гравитация — это совсем не то, что мы наблюдаем в обычной жизни. Тем не менее большинство астрономов считают, что 70 процентов нашей Вселенной состоит из отталкивающей темной энергии.

Тогда откуда же мы о ней знаем? Вселенная — это то место, где расширяются темная материя и темная энергия. И перед тем, как узнать о них больше, стоит устроить экскурсию по Вселенной, понять, как она образовалась, и составить представление о ее размерах.

1.2. Небесная иерархия

У большинства из нас имеются представления о размерах Земли. Поездка от Осло до Тронхейма на машине занимает примерно семь часов, и такое расстояние составляет где-то одну сотую от длины экватора Земли. Таким образом, путешествие вокруг Земли с такой же скоростью займет месяц без остановок. А до Луны — почти год. То есть время в пути до нашего ближайшего астрономического соседа примерно равно затянувшемуся отпуску и неторопливому путешествию на машине.

А вот до Солнца, к примеру, на машине добраться сложнее, даже если в нашем распоряжении будет целая человеческая жизнь: при такой скорости нам понадобится больше 200 лет. Чтобы получить представление о расстояниях, мы создадим модель, в которой мы и Солнечная система уменьшимся в 10 миллиардов раз.

В такой модели диаметр Земли будет немного больше миллиметра — размером с песчинку. Эта песчинка находится в 15 метрах от Солнца. А Солнце со своими значительными 14 сантиметрами в диаметре будет размером с кокосовый орех. И вот мы вращаемся на песчинке в 15 метрах от кокосового ореха. Между нами и Солнцем есть еще две песчинки: Венера и Меркурий. А помимо этого — пустота.

Солнечная система на Земле не заканчивается. Самая большая планета, Юпитер, превратится в нашей модели в маленький фундук диаметром 1,4 сантиметра, расположенный на расстоянии 78 метров от Солнца — кокосового ореха. Самая крайняя планета, Нептун, станет горошиной примерно в полукилометре от Солнца, далеко, очень далеко от песчинки — Земли. Если нам захочется добраться до Нептуна, то поездка на машине с прежней скоростью теперь займет больше 9000 лет.

Ближайшая к Солнцу звезда — Проксима Кентавра. Она немного меньше Солнца, и если Солнце — это кокосовый орех в Осло, то Проксиму Кентавра можно сравнить с грецким орехом в Сахаре. На таких расстояниях и рассредоточены звезды: кокосовый орех в Осло, грецкий орех в Сахаре, парочка манго в Судане, мандарин в Китае и так далее. Мы знаем, что у многих звезд есть свои планеты-песчинки, обращающиеся на расстоянии нескольких метров. Но в остальном — пустота.

Несмотря на эти астрономические расстояния между одиночными звездами, все звезды на ночном небе — часть нашей Галактики, то есть Млечного Пути. Если вы хорошо видите в темноте и у вас имеется темное местечко для наблюдений, то вы увидите примерно 5000 звезд, что ничтожно мало по сравнению с их общим количеством в Млечном Пути. В целом считается, что наша Галактика состоит из 300 миллиардов звезд. Звезд так же много, как сахаринок в 60 тоннах сахара. Звезды в Млечном Пути вращаются в галактическом диске, который сохраняет свою форму благодаря силе тяжести. Если учесть, что звезды достаточно многочисленны и, как мы убедились, располагаются на достаточно большом расстоянии друг от друга, то масштабы Млечного Пути вполне можно осмыслить. В нашей модели с Солнцем — кокосовым орехом в Осло и песчинкой — Землей в 15 метрах от него мы можем представить, что один конец Млечного Пути находится у кокосового ореха. Тогда уменьшенная в 10 миллиардов раз Галактика растянется на половину реального расстояния от Земли до Солнца. Огромное расстояние, хотя мы его и уменьшили.

Млечный Путь, в свою очередь, — лишь одна из непостижимого множества галактик. В той части Вселенной, которую мы имеем возможность изучать, насчитывается примерно столько же галактик, сколько звезд в Млечном Пути. Эти галактики распределены в пространстве не равномерно, а собраны в структуры, называемые группами и скоплениями галактик. Группы из скоплений галактик называются сверхскоплениями, а сами сверхскопления тоже образуют структуры, они имеют тенденцию к сбору в большие галактические нити, называемые «великие стены».

В той части Вселенной, за которой мы можем наблюдать, находится очень много сверхскоплений галактик. Одно из них — сверхскопление Девы. Оно содержит в себе десятки тысяч галактик. Одна из этих галактик — Млечный Путь — вращающийся диск с несколькими сотнями миллиардов звезд. И вокруг одного довольно обычного представителя этих звезд, Солнца, обращается небольшая планета-песчинка. На этой планете сидим мы и разглядываем Вселенную — сцену, где расширяются темная материя и темная энергия.

И что же мы видим с нашей планеты-песчинки? Как я уже упоминал, 70 процентов Вселенной составляет темная энергия, а 25 — темная материя. Пока что мы ненадолго оставим темную энергию и ее невероятную отталкивающую гравитацию и более интенсивно поищем темную материю. А заодно получше познакомимся с нашей Вселенной и законами физики, которые всё и связывают. Так мы подготовимся к тому, чтобы связать воедино нашу картину Вселенной с темной энергий во второй части книги.