Журнал «Вокруг Света» № 11 за 2003 год

Невидимая, но тяжелая

Хорошо известно, что в мире существует много такого, что мы не можем ни потрогать, ни услышать. Более того, есть, такие вещи, о которых и помыслить-то непросто, не то что увидеть или понюхать. Богословы всегда считали, что нашим миром правит мир иной, почти никак не проявляющий себя в обыденной жизни. К концу XX века физики вместе с астрономами пришли к тому же, по сути, выводу – видимая материя составляет лишь малую часть Вселенной и космическое пространство в основном заполнено так называемыми темными материей и энергией, практически никак не обнаруживающими себя в земных условиях. Скрытая масса очень сильно озадачила ученых прошлого века, и только на пороге нынешнего появились некоторые надежды на разрешение данной космогонической проблемы.

Загадка скрытой массы уже давно волнует лучшие умы. Все началось с того, что в 1933 году американский астрофизик Фриц Цвикки определил полную массу группы галактик, измерив их светимость. Иными словами, он подсчитал количество звезд в этой группе и полученное число умножил на среднюю массу звезды. Казалось бы, метод вполне надежный, однако другие способы, основанные на законе всемирного тяготения Ньютона, давали гораздо большую величину массы. В то время факт этот особого интереса не вызвал, и только спустя четыре десятка лет ученые поняли всю важность открытия, в результате сегодня скрытая масса является непременным атрибутом всех космологических моделей Вселенной.

До сих пор не ясно, что же именно находится в межзвездном пространстве, хотя масса этого «чего-то» примерно в десять раз больше суммарной массы всех звезд. И решение этой загадки, несомненно, будет крупнейшим открытием, которое может произойти в любой момент. Единственное, что выдает сегодня скрытую массу, – гравитация. Именно гравитационное поле, влияя на движение звезд в галактиках, позволяет определить долю невидимой материи среди космического вещества.

Для того чтобы искать, прежде нужно определить, где и что. С тем, «что» именно искать, более или менее понятно – эта некая материя, которая проявляет себя только своей гравитацией. А вот «где» ее искать и какие пространственные размеры она занимает – далеко не очевидно. Как она распределена по Вселенной? Расположена ли она в галактиках или равномерно разбросана по всему пространству? С одной стороны, долю скрытой массы в галактике можно определить по поведению звезд. С другой – ситуация несколько осложняется тем, что именно скрытая масса диктует видимой материи «правила игры», а не наоборот. Это и понятно – ее намного больше, а кто больше, тот, как обычно, и прав…

Скрытая масса способна концентрироваться там, где видимая материя отсутствует. Удивительно, но и эту скрытую часть удалось определить. О том, как это было сделано, чуть позже.

Интересно сравнить полную скрытую массу во Вселенной и массу ее видимой части, в основном звезд. Диаметр видимой части Вселенной составляет примерно 3•1026 м (10 000 мегапарсек, или 30 млрд. световых лет). Большая часть видимой материи уже собралась в галактики и, чтобы определить массу Вселенной, надо «всего лишь» измерить массы всех галактик, которых приблизительно 1011 штук и в каждой сверкает по нескольку миллиардов звезд. В результате получаем примерно 1052 кг – такова масса всех звезд в видимой части Вселенной. Напомним, что наше Солнце весит всего

2•1030 кг.

Поскольку темной материи в 10 раз больше, чем видимой, то недоучтенными до последнего времени были около 1053 кг…

Как найти невидимок

Тайная связь.Убедиться в ее существовании может каждый. Для этого нужно попросить знакомого водителя проехать мимо вас как можно быстрее, при этом непрерывно гудя. Во время наибольшего сближения вы почувствуете резкую смену тона гудка – с высокого на низкий. Любая электричка, пролетающая мимо платформы, даст тот же эффект. Вывод же будет таков: частота воспринимаемых волн (в данном случае звуковых) зависит не только от внутренних свойств источника этих волн, но и от его скорости.

То же самое происходит со светом, который представляет собой электромагнитную волну. Если источник приближается к нам, то мы воспринимаем свет «более голубым», чем если бы источник покоился. Если же он удаляется – то «более красным». Чем больше скорость– тем больше эффект доплеровского сдвига. Исследуя спектры звезд, ученые определяют их скорости и не только судят о движении внутри галактики, но и анализируют перемещения галактик внутри скоплений. Например, если измерения показывают, что свет от одного края какой-либо галактики краснее, а от другого – голубее, то единственное разумное объяснение этому кроется во вращении галактики. При внимательном изучении вращения галактик была обнаружена одна странность: скорости движения звезд оказались слишком большими! При таких скоростях они давно должны были бы покинуть галактику, поскольку суммарная гравитационная сила всех звезд, как показывали расчеты, была бы не способна их удержать. По этой причине было выдвинуто предположение о существовании некоей скрытой массы, которая своим гравитационным полем помогала удерживать звезды от разлета. Причем зависимость скорости от расстояния до центра галактики, как правило, такова, что наличием одной массивной черной дыры в центре галактики ее объяснить нельзя.

Королевство кривых зеркал.Скрытая масса образует свои собственные темные облака-галактики, которые ничего другого не содержат. Как же можно доказать их существование?

В обычных галактиках ученым помогают звезды, своим поведением выдающие присутствие скрытой массы. Но что же делать, если звезды отсутствуют в интересующей исследователей области пространства? Тогда на помощь им приходит эффект микролинзирования (см. «Вокруг света» № 9, 2002 г.). Если скрытая масса создает гравитационное поле, то оно должно влиять на движение всех объектов, обладающих энергией, поэтому гравитационное поле скрытой массы изменяет траекторию движения света от далеких источников. Значит, галактики должны выглядеть несколько искаженными, как лицо человека в слегка кривом зеркале. Другим способом обнаружить компактные и невидимые объекты можно по хорошо изученному эффекту увеличения яркости звезд, обусловленному гравитационным линзированием.

Если некое несветящееся тело пересекает прямую линию между какой-либо звездой и Землей, то яркость звезды увеличивается. Конечно, все небесные тела движутся относительно друг друга, поэтому увеличение яркости – эффект кратковременный. Но уж если оно обнаружено, то совершенно очевидно, что это «дело рук» какого-то тяжелого несветящегося объекта. Методы гравитационного линзирования настолько усовершенствовались, что позволяют определять также и массу темного объекта. Уже имеются предварительные данные от нескольких научных групп о существовании объектов тяжелее Юпитера, но легче Солнца.

Современная наука настолько сложна, что бессистемные поиски «чего-то новенького» заведомо обречены на неудачу. Чтобы добиться успеха, нужно иметь хоть какое-то представление о том, что ищешь, необходима теоретическая модель, правильность которой проверяется экспериментально. Предполагаемых носителей скрытой массы не так уж и мало, но их можно разделить на две основные категории: астрономические объекты (MACHOs – Массивные Астрофизические Компактные Гало Объекты) и элементарные частицы (WIMPs – Слабо Взаимодействующие Массивные Частицы).

MACHOs – это действительно массивные объекты, состоящие из обычных элементарных частиц. WIMPs – это гипотетические частицы, которые практически не взаимодействуют с привычной нам материей. Астрономам близка идея MACHOs, в то время как физикам, занимающимся микромиром, больше нравится идея WIMPs, что естественно. Рассмотрим же более детально, что представляют собой эти два основных класса.

Разнообразие machos, или как увидеть черную кошку

Эти массивные объекты практически не должны светиться, в противном случае их бы давно увидели. Кандидатами на роль MACHOs являются черные дыры, нейтронные звезды, коричневые, или, более точно, темные, карлики (brown dwarfs) и, возможно, белые.

Черные дыры – вполне достойные претенденты. Их существование предсказывается теорией, а некоторые из них уже обнаружены. Но определенная осторожность все же необходима. Во-первых, они не должны быть очень массивными, иначе излучение от падающего на них вещества выдаст их с головой. Во-вторых, их должно быть много, чтобы суммарная масса была примерно в 10 раз больше суммарной массы звезд. И в-третьих, «маленьких» черных дыр с массой меньше, чем 10 12 кг, должно быть не слишком много, иначе наша Вселенная была бы совершенно другой. Однако современные ученые пока не располагают конкретными данными о количестве и массе черных дыр даже в нашей Галактике, не говоря уже о всей Вселенной.

Темные карлики – это не сказочные тролли, а плотные сгустки обычной материи, в основном водорода, с массой, значительно меньшей солнечной. Их собственные гравитационные поля позволяют им существовать, не распадаясь. Однако эти поля слишком слабы, чтобы создать высокое давление и инициировать термоядерные реакции. Свет от звезд – это не что иное, как фотоны, испускаемые сильно нагретым газом. Тепло для нагрева поступает от ядерных реакций, поэтому светимость темных карликов слишком мала, и они могут легко ускользать от внимания астрономов.

Если говорить о нейтронных звездах, то в данном случае интересны старые их представители, которые практически не излучают энергию. Это как раз тот случай, когда молодые не требуются. Другое дело, откуда они могли в таком количестве взяться и когда успели состариться?

Если MACHOs практически не светятся, то можно ли их обнаружить вообще? Современные научные методы и техника позволяют это сделать. Так, с введением в строй телескопа Hubble, наблюдающего мир не только в видимых, но и в инфракрасных лучах, астрономам удалось обнаружить много темных карликов как в нашей, так и в соседних галактиках. Но их оказалось всего 6% от общей массы галактического гало! Может быть, дальнейшие исследования увеличат эту цифру.

Искажения картины звездного неба, вызванные действием скрытой массы, проанализировали Дэвид Уитмен, Энтони Тайсон и Дэвид Керкман (Лаборатории Белл), Ян Дельантонио (Национальная обсерватория оптической астрономии и Университет Брауна) и Чэри Бернстейн (Мичиганский университет). Они использовали 4-метровый телескоп Blanco (Чили) и цифровую обработку изображений. Одним из препятствий в работе было то, что изображение галактики изменяется не только из-за влияния скрытой массы, но и при прохождении через атмосферу Земли. Да и сами оптические приборы вносят небольшие искажения. Но ученые нашли выход. Изображения от ближайших звезд изменяются атмосферой и приборами точно так же, как и далекие галактики, а вот влиянию удаленной скрытой массы они не подвержены. На основе нескольких тысяч совместных измерений близких звезд и далеких галактик ученые научились отделять «зерна от плевел» и получили желаемый результат. Были проанализированы изображения 145 000 очень далеких галактик для того, чтобы найти эффекты искажения, создаваемые скрытой массой.

На основе этих данных было восстановлено расположение скрытой массы на больших межгалактических масштабах.

Существует и другой способ обнаружения MACHOs, опять же связанный с их гравитационным полем. Если астроном обнаруживает, что некоторая звезда вращается вокруг «чего-то невидимого», то совершенно ясно, что обнаружен MACHOs. Именно он создает гравитационное поле, в котором и движется его более яркая соседка – звезда. Кроме того, определив радиус орбиты и скорость вращения (например, при помощи того же доплеровского эффекта), можно найти массу данного объекта.

Другой путь объяснения недостающей массы выбрали физики, изучающие элементарные частицы. Они предположили, что галактическое пространство заполнено частицами особого вида. Их общее количество как раз и образует ту самую скрытую массу. WIMPs предположительно возникли, когда наша Вселенная была еще очень молодой и горячей.

Почему же мы их не видим и почему эти частицы не собираются в плотные объекты типа темных карликов? Приходится предположить, что частицы эти практически не взаимодействуют с другими, обычными частицами, и в частности не излучают фотонов. Только гравитация указывает на их существование. Эти необычные свойства создают большие трудности в доказательстве существования WIMPs.

Если эти частицы существуют, то они заполняют всю нашу Галактику и непрерывно пронизывают Землю. От обычных частиц, прилетающих из Космоса, нас спасает атмосфера, которая поглощает даже наиболее энергичных представителей. Но WIMPs не взаимодействуют с обычной материей и, следовательно, не задерживаются атмосферой. Каждую секунду нас, возможно, пронизывает примерно 10 14 этих частиц, к счастью, не влияющих на молекулы нашего тела, поэтому мы их просто не замечаем, и они пролетают сквозь нас, не оставляя никакого следа.

Надежда обнаружить WIMPs основана на том, что, возможно, они все-таки взаимодействуют с обычными частицами. Пусть вероятность столкновения крайне мала, но если собрать много обычных частиц вместе, то, возможно, с кем-нибудь эта неуловимая WIMPs да «провзаимодействует». Ведь их должно быть очень много, и если подольше подождать, то столкновение произойдет. Конечно, подавляющее большинство этих частиц пролетит незамеченным не только сквозь материал, но и сквозь Землю, но, возможно, отдельные WIMPs-неудачники все-таки столкнутся с атомами материала-мишени.

Так, проект профессора Бернарда Садулета и Уолтера Стокуэллэ (из Калифорнийского университета Беркли) предусматривает охлаждение большого куска кристаллического материала почти до абсолютного нуля температур. Если через такой кристалл будут пролетать мириады WIMPs, то когда-нибудь они провзаимодействуют с материалом кристалла. Ожидается, что небольшое тепло, которое выделится при столкновении, будет зафиксировано приборами, что и докажет существование WIMPs.

Очевидно, что, чем больше кристалл, тем больше в нем атомов и тем быстрее произойдет желаемое событие. Поэтому проект нейтринного подледного телескопа AMANDA предполагает использование антарктического льда в качестве кристалла-мишени. Детекторы будут помещены глубоко в толщу льда, что сильно увеличит общий размер мишени и, значит, число столкновений. Но за все приходится платить – температура такой мишени, конечно же, не может быть сильно понижена, а значит, чувствительность всей системы будет хуже.

Скрытая масса может, вообще говоря, существовать в двух формах – «горячей» и «холодной». Под холодной скрытой массой (cold dark matter) понимаются такие WIMPs, которые движутся с нерелятивистскими скоростями (то есть много меньшими, чем скорость света). В распоряжении физиков имеется несколько таких частиц – кандидатов на WIMPs, и все они объединены одним недостатком – существуют лишь в теории. Возможно, это нейтралино – тяжелая частица, которая просто обязана существовать, как считают многие физики. А может, и аксион – частица с чрезвычайно малой массой.

Горячая скрытая масса (hot dark matter) – это частицы, которые движутся со скоростями, близкими к скорости света. Их масса так мала, что они оставались релятивистскими достаточно долго в процессе формирования Вселенной, пока ее температура не упала до нескольких сот градусов Кельвина. Как показывают расчеты, масса таких частиц должна быть меньше 100 электронвольт. Это значит, что она по крайней мере в 5 000 раз легче электрона. Подходящим кандидатом на эту роль являются нейтрино. Со времен своего открытия нейтрино считались безмассовыми. Но прошло время, семья нейтрино выросла (их теперь 3 вида) и «приобрела вес» (недавно было доказано, что по крайней мере 1 из 3 видов нейтрино обладает ненулевой массой). И, наконец, оно действительно крайне слабо взаимодействует с другими частицами. Концентрация нейтрино в космосе составляет примерно 100 штук в кубическом сантиметре, и они вполне могли бы играть роль скрытой массы. К сожалению, модель горячей скрытой массы сталкивается с трудностями при объяснении того, как облака таких нейтрино сжимаются в более плотные объекты, поскольку все, что быстро двигается, в кучу собирается плохо…

Но вернемся к холодной скрытой массе. Поскольку WMPs имеют большую массу, они еще на ранних стадиях развития Вселенной становятся нерелятивистскими и начинают образовывать отдельные облака. Гравитационное поле сживает скрытую массу и, что более важно, притягивает барионы – протоны и нейтроны – обычное вещество, из которого состоит видимый нами мир. Поэтому галактики формируются довольно рано, что соответствует наблюдениям. Действительно, всего через миллиард лет после Большого взрыва галактики уже существовали. Это было бы трудно объяснить, имея в своем распоряжении только барионы. Обрадованные успехом, астрофизики решили просчитать дальнейшую эволюцию этих облаков, состоящих преимущественно из скрытой массы. И тут их ждало разочарование. Со временем эти облака должны были образовать гораздо более мелкие и плотные сгустки. Наблюдения же говорят, что их просто нет! И вообще, распределение скрытой массы в кластерах галактик не соответствует расчетному. Тем не менее модель холодной скрытой массы, похоже, гораздо ближе к истине, чем модель горячей скрытой массы.

Возможно, если учесть все эффекты, то наблюдаемые данные и расчеты придут к согласию, считают одни ученые. Другие же полагают, что разногласий слишком много и надо что-то существенно менять. Неопределенность в свойствах WIMPs позволяет делать различные предположения об их свойствах, чтобы получить разумное согласие с наблюдениями. Так Штейнхард (Steinhardt) и Спергель (Spergel) из Принстонского университета предположили, что эти частицы, хотя и «не видят» обычную материю, очень хорошо взаимодействуют друг с другом. Их интенсивные столкновения делают облака этих частиц более рыхлыми. Впрочем, последние наблюдения обсерватории «Чандра» ставят под сомнение и эту модель.

Некоторые ученые считают, что если некое явление существует, но не имеет объяснения с точки зрения современной науки, то это ставит под сомнение как саму космологию, так и большинство ее выводов. Возможно, это слишком сильное утверждение, но свойства скрытой массы действительно важны для понимания процессов, протекающих в нашей Вселенной. Например, если Вселенная с самого начала после Большого взрыва расширялась равномерно во все стороны, то непонятно, почему отдельные ее части стали конденсироваться и затем превращаться в галактики и звезды. Существует несколько моделей формирования галактик, и присутствие скрытой массы является необходимой составляющей большинства из них.

Скрытая масса является в каком-то смысле и философской категорией. Так, например, профессор Бернард Садулейт, директор Центра астрофизических исследований частиц Калифорнийского университета в Беркли, писал в своей статье, вышедшей в «Нью-Йорк Тайме»: «Это продолжение мировоззренческой революции Коперника. Теперь мы уже не только не в центре Вселенной, но и состоим из особого вещества, которое является лишь небольшой добавкой к основному компоненту Вселенной»…

Сергеи Рубин, доктор физико-математических наук