Тайны темной материи. Темными дорогами. Загадки темной материи и темной энергии Загадки материи

Мария Сапрыкина

ЗАГАДКА ТЕМНОЙ МАТЕРИИ

Невидимую материю, т.е. не излучающую и не поглощающую свет, астрофизики называют темной и обнаруживают по создаваемой ею гравитации. Она присутствует везде - от галактических масштабов до сверхскоплений галактик. По массе ее гораздо больше, чем видимой материи, но что она представляет собой на самом деле - загадка. Вероятно, это еще не открытые элементарные частицы или маломассивные черные дыры и гипотетические кротовые норы. Об этом рассказал в своей английской статье член астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (Москва) и Международной академии им. Нильса Бора (Копенгаген, Дания), член-корреспондент РАН Игорь Новиков. Перевод сделан членом-корреспондентом РАН Виктором Абалакиным и опубликован в журнале «Земля и Вселенная».

Итак, природа темной материи - одна из главных загадок современной космологии. У открытия и исследования данного феномена довольно долгая история. Уже на протяжении 85 лет специалисты увлечены данной темой. Ныне же эта проблема - основная во всей астрофизике.

Еще 30 и даже 20 лет назад астрономы полагали: масса темной материи, преобладающей во Вселенной, определяет ее динамику и кривизну трехмерного пространства. Но сегодня нам известно гораздо больше. Наблюдение в пределах измерений температуры анизотропии в космическом микроволновом фоновом излучении (а оно появилось сразу же после рождения Вселенной и несет важную информацию об ее эволюции), данные о степени распространения гелия и других легких элементов и образовании структуры Вселенной указывают: обычная материя (барионная - барионные (тяжелые) элементарные частицы с массой не меньше, чем у протонов, участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях)) ответственна приблизительно за 4% материального содержания космоса. Получается, звезды, планеты, газ, пыль и мы сами состоим из нее, а остальные 96% - это «темный» сектор с приблизительно 23% темной материи и примерно 73% темной энергии. Известно: рассматриваемая материя вызывает эффект гравитационного притяжения, как и обычная, а темная энергия, наоборот, - гравитационное отталкивание. Последняя реально преобладает во Вселенной, хотя о ее физической природе специалисты пока ничего не знают.

Темная материя оказывает гравитационное влияние на распространение света от удаленных источников (так называемое гравитационное линзирование). Важная доля информации также поступает из анализа космического микроволнового фонового излучения и процесса образования структуры Вселенной из малых начальных неоднородностей. А ведь именно интересующая нас сила гравитации темной материи необходима для формирования галактических скоплений и галактик. Большинство космологов, констатирует Новиков, развивает идею о типе темной материи, называемой холодной. Многие из них убеждены: она состоит из частиц, образовавшихся в раннем, горячем периоде эволюции Вселенной, однако еще существующих и в наше время. Список же элементов, которые могут входить в них, весьма обширен: это, в основном, гипотетические частицы - скажем, аксионы или суперсимметричные реликты. Ныне запущены эксперименты по прямому и косвенному их поиску. В результате вполне возможно и прямое нахождение темной материи, но, по мнению автора статьи, физическая природа ее остается тайной.

Между тем, помимо пока неизвестных науке частиц, интересных для физиков, существуют и другие объекты, из которых может состоять темная материя. Некоторые из них сами по себе удивительны - и, кстати, не менее важны для развития науки: это релятивистские темные тела (первичные черные дыры и кротовые норы).

Гипотеза о существовании первичных черных дыр также имеет весьма долгую историю. Благодаря исследованиям, проведенным отечественными учеными академиком Яковом Зельдовичем и Игорем Новиковым в 1961 г., а в 1971 г. английским физиком-теоретиком Стивеном Хокингом, можно сделать вывод: на ранних стадиях во Вселенной (около 13 млрд лет назад) существовали крошечные черные дыры, их массы могли быть меньше, чем у звезд. Расчеты показывают: те из них, чьи начальные массы были менее миллиарда тонн, к настоящему времени полностью потеряли энергию из-за квантового излучения; более тяжелые сохранились до наших дней.

Главный вопрос - можно ли обнаружить их астрономическими средствами, если они реально существуют во Вселенной? Чтобы найти малые черные дыры, необходимо знать излучение их жестких квантов. Наблюдение последних существенно способствовало бы отождествлению первичных черных дыр, но до сегодняшнего дня ни одна из них не обнаружена. Установлено лишь следующее: число черных дыр с массой около миллиарда тонн не превышает одной тысячи на кубический световой год. Если бы их было больше, то существовала бы возможность вычислить их суммарное излучение. Квантовое же излучение массивных первичных черных дыр незначительно, поэтому их можно включить в число объектов, входящих в темную материю. В 1994 г. отечественные астрофизики Павел Иванов, Павел Насельский и Игорь Новиков, работавшие в датском Центре теоретической астрофизики, указали на эту перспективу. Одновременно появилось сообщение, что обнаружено микролинзирование звезд в Большом Магеллановом Облаке массивными компактными гало-объектами нашей Галактики. Среди прочих была выдвинута и такая идея: подобными объектами могли быть черные дыры. Новое открытие добавило аргументы в пользу теории о том, что холодная темная материя состоит из первичных черных дыр.

Впрочем, подчеркивает автор статьи, не стоит забывать и о первичных кротовых норах. Согласно общей теории относительности, это сильно искривленное пространство в виде тоннеля, соединяющего два входа в него. Материя или излучение, попадая в одну из дыр, рассеиваются по всему объему тоннеля и соответственно выходят наружу уже из другой дыры. Или наоборот. По одной из гипотез, эти первичные норы, скорее всего, существовали в начале расширения Вселенной. И могли сохраниться в дальнейшем. Отметим: квантовое испарение (так называемое хокинговское) не влияет на такие объекты, поэтому они сохраняются в течение космологических промежутков времени, если не подвергаются иным неустойчивостям. Исходя из этого, нельзя исключить: некоторая часть холодной темной материи состоит и из кротовых нор.

Итак, делает вывод Новиков, темные объекты - первичные темные дыры и кротовые норы - могут разрешить загадку темной материи. Но насколько удачными (или неудачными) являются выдвинутые концепции, будет ясно, лишь когда станут известны результаты наблюдений по изучению холодной темной материи с помощью, в первую очередь, космической обсерватории «Планк», запущенной 14 мая 2009 г. в рамках Европейского космического агентства Horizon-2000 и названной в честь выдающегося немецкого физика Макса Планка (1858-1947).

Новиков И. Темные объекты и темная материя. - Журнал «Земля и Вселенная» , 2009, № 5

Иллюстрации редакции журнала «Земля и Вселенная»

Материал подготовила Мария САПРЫКИНА

«Наука в России», № 1, 2010



Закрыть код Показать результат Скрыть результат

Загадки тёмной материи
(The Mysrery Of Dark Matter)

в Прокате c : 01.01.2012

Загадки тёмной материи
(The Mysrery Of Dark Matter)

в Прокате c : 01.01.2012

Всех нас учили в школе что вселенная состоит из атомов. На самом деле атомы составляют только 5% материи во вселенной, остальное для нас пока загадка. В космосе есть что-то еще, другая реальность, которую мы только начинаем открывать для себя. Мы знаем, что это не атомы, но не знаем что это. Почему астрофизики убеждены в существовании этой загадочной невидимой материи? Потому что без темной материи галактики бы не вращались - не хватало бы гравитационных сил, чтобы звезды галактик вращались с той скоростью, с какой они вращаются сегодня. В поведении и движении галактик есть некие аномалии, чтобы их понять, ученые предполагают существование невидимой материи, участвующей в движении галактик.

Что касается темной материи, то из вскользь брошенных вами о ней слов становится ясно, что вам о ней ничего не известно. А между тем ее наличие обнаружено прямыми астрономическими наблюдениями. Прочтите "Сказание о темной материи" , может быть, после этого будете к данной теме более почтительны.

Вадим Бережной 14.07.2016 07:51 Заявить о нарушении

О тёмной материи у физиков нет единогласия. Это одна из гипотез, скорее всего ошибочная, надуманная. Есть в интернете перечень спорных и нерешённых вопросов в физике (и других науках), и перечень этот внушителен.

Богохулов 14.07.2016 08:38 Заявить о нарушении

Что такое тёмная материя? Связана ли она с суперсимметрией? Связан ли феномен тёмной материи с той или иной формой материи, или это на самом деле является расширением гравитации?
Это говорит серьёзная физика.

Богохулов 14.07.2016 10:17 Заявить о нарушении

Еще раз объясняю о темной материи. Все материальные тела (планеты, звезды, скопления пыли и газов) подвержены воздействию тяготения. Закон всемирного тяготения математически выражается формулой F=g*M*m/r*r, где * есть знак арифметического умножения, косой слэш / есть знак деления, M и m - массы звезды и ее планеты, F - сила притяжения, g - гравитационная постоянная. Так вот, в Солнечной системе все тела движутся строго по формуле тяготения и законы Кеплера соблюдаются с высокой степенью точности, и в Солнечной системе тёмной материи нет. Но в огромных объемах Галактики при изучении движения звезд по орбитам вокруг ее центра оказывается что их скорость их движения обусловлена наличием огромной массы некоей невидимой, ничего не излучающей субстанции. Есть еще один эффект - гравитационное линзирование, когда луч света отклоняется от прямолинейного движения также какой-то гигантской массой материи. Это и есть темная материя и ее наличие - твердо установленный факт, несмотря на то, что структура ее и состав, т.е. из чего она состоит, современной науке неизвестно. Вы, я чувствую, ничего по данному вопросу не читали. Посмотрите, например, сайт "Элементы" по ссылке Короче, материалов о темной материи тьма.

Вадим Бережной 14.07.2016 13:12 Заявить о нарушении

Всё это мне знакомо, знакома и критика в адрес тёмной материи, и я её вам предоставил. Кстати, природа гравитации, как и суть тёмной материи пока находится в подвешенном состоянии, учёные пока бодаются, а вам уже всё ясно.

Богохулов 14.07.2016 13:44 Заявить о нарушении

Мне ясны факты, на основании которых сделан вывод о наличии некоего материального объекта, природа которого людям неизвестна. Мне кажется, что вы меня недопонимаете. То, что я тут печатаю, вам не вполне ясно. Но я не в обиде. Люди вообще во многом друг друга недопонимают. Вот сегодня был страшный теракт в Ницце... Зачем? Кто скажет?

Вадим Бережной 15.07.2016 09:09 Заявить о нарушении

Действительно, есть факты, на основании которых одни физики сделали вывод о наличии чего-то материального, но не наблюдаемого, и назвали это тёмной материей. Другие по этому поводу говорят: "Связан ли феномен тёмной материи с той или иной формой материи, или это на самом деле является расширением гравитации?" То есть с самой гравитацией до конца не разобрались, какое-то расширение ей приписывают.

Богохулов 16.07.2016 00:34 Заявить о нарушении

Расширение гравитации - это чушь собачья. Вы, видать, гуманитарий, такие науки, как физика, химия, астрономия, техника физического эксперимента вам неведомы, потому вы и повторяете за кем-то не вполне адекватным ничего не значащие слова "расширение гравитации"...

Вадим Бережной 17.07.2016 22:39 Заявить о нарушении

У меня высшее электротехническое. Я уже вам говорил, что природа гравитации науке не ясна, что имеется внушительный перечень спорных и нерешённых вопросов в физике и других науках (в интернете он есть). Там про расширении гравитации и упоминается.

Богохулов 17.07.2016 22:55 Заявить о нарушении

Спорные вопросы в науке будут всегда. "Электрон так же неисчерпаем, как и атом". Тем не менее физические истины становятся все яснее и яснее по мере успехов в теории и эксперименте. Такое понятие, как спин электрона, гораздо интереснее, чем "расширение гравитации". Тот, кто ляпнул про ее расширение, таки действительно не понимает закона всемирного тяготения. Большой Взрыв, по-моему, тоже фикция, как и "расширение гравитации".

Вадим Бережной 18.07.2016 05:15 Заявить о нарушении

Вадим, в интернете есть статья А. Л. Алюшина:
ГРАВИТАЦИЯ КАК СЛЕДСТВИЕ РАСШИРЕНИЯ СРЕДЫ ВЕСОМЫХ ТЕЛ.

Богохулов 18.07.2016 10:31 Заявить о нарушении

Не могу не уточнить.
Конечно же расширяется не гравитация, расширяется сама Вселенная.
Уже (недавно) открыты гравитационные волны (и повторное подтверждение их сууществования уже имеется, и о них легко прочесть в Википедии и не только).
Что же касается тёмной материи, то она гравитационно притягивается к галактикам из обычной видимой материи и поэтому концентрируется преимущественно вблизи них и внутри них.
Галактики видимой материи разбегаются, точно также разбегается и связанная с ними основная часть тёмной материи, мои (подробности и ссылки уже не помню) знания и научная интуиция подсказывают, что и вся-вся-вся тёмная материя в целом разбегается.
Существуют и иные убедительные доказательства Большого Взрыва.

Геннадий Пильный 18.07.2016 17:57 Заявить о нарушении

С уважением и признательностью,

Геннадий Пильный 18.07.2016 18:24 Заявить о нарушении

Я прочел эту статью Алюшина. Его так называемая гипотеза не выдерживает никакой критики. И вообще, он плохо понимает элементарные физические сущности. Например он пишет (цитирую): "Отсутствие, несмотря на активные поиски, следов существования гравитационного поля...", что говорит о том, что он не понимает сути такой формы материи как поле. С детства мы знаем, что полем называется область пространства, в каждой точке которого действует некая сила, в частности, сила гравитации, т.е. сила притяжения одним телом, обладающим массой, другого тела, также обладающего массой. Это математически показал великий английский гений Исаак Ньютон в 1687 году Алюшин этого не знает, не понимает, судя по приведенной цитате. Он также не понимает, что сила гравитации убывает пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими массами до бесконечно малой величины. Алюшин пишет: "сила тяготения любого тела простирается до бесконечно далеких расстояний, а любые вещественные объекты абсолютно проницаемы для этой силы". Это же бред сивой кобылы! Так что мы этого гипотизёра должны отвергнуть и не принимать во внимание все его словесные спекуляции.

Вадим Бережной 18.07.2016 20:28 Заявить о нарушении

Алюшин не безупречен, но некая рация у него есть. А я вот математико-физиков Эйнштейна и др. не воспринимаю. Никона Тесла и без высшей математики обходился, а результаты имел.
Есть в интернете ещё В. А. Ацюковский: "Эфиро-динамическая гипотеза гравитации и расширения Земли".

Богохулов 19.07.2016 00:03 Заявить о нарушении

Весь Ацюковский у меня записан на диске. Никола Тесла - гениальный экспериментатор. У него необыкновенно глубокие представления о физической природе электричества. Вся современная техническая цивилизация получила революционный толчок благодаря работым и изобретениям Николы Теслы. Эйнштейн - физик-теоретик, а теоретики в тыщу раз лучше решают дифференциальные уравнения, чем рядовые обыватели, которые до них в студенческие годы не дорастают. У нас очень мало толковых преподавателей. Ум юноши - это не сосуд, который надо наполнить, а факел, который надо зажечь. Но таких факельщиков, которые создают гениев, раз-два и обчелся. И в этом парадокс миллиардеров: они быстренько хапают чужие ученые умы, а своих выращивать не хотят. Нафига, если можно купить?

Вадим Бережной 19.07.2016 06:24 Заявить о нарушении

Уважаемый Вадим!
Насколько я знаю, гравитационные линзы, создаваемые тёмной материей, гравитационно связаны (т.к. взаимно притягиваются) с галактиками и нормальной, видимой материи.
То есть действительно не только видимые галактики разбегаются - и (скорее всего) тёмная материя взаимосвязано с ними.
То есть вся Вселенная расширяется после Большого Взрыва.
А обнаруженные учёными гравитационные волны представляют собой волны самой ткани пространства-времени нашей Вселенной.
То есть и вдали от физических масс тяжёлых материальных объектов и время может течь, идти и сама структура его может волноваться.
Время нашей Вселенной возникло вместе со Вселенной и присуще только ей, заключено внутри её.
И в разных частях, локусах Вселенной (и даже в объектах, движущихся с различными скоростями и ускорениями и разной силы гравитационных полях) время течёт не одинаково, то есть создатель СТО и ОТО А. Эйнштейн в целом прав в математических формулировках всего этого.
У других же вселенных, параллельных миров свои собственные времена.

Алина Черникова 19.07.2016 17:41 Заявить о нарушении

Вы правы, Алина!
Вся наша Вселенная едина и тёмная материя разлетается союзно с материей обычной.
Конечно же тёмная материя распределена во Вселенной очень неравномерно и гравитационно взаимодействует с видимой материей.
А вот тёмная энергия распределена гораздо более равномерно и именно благодаря её загадочным антигравитационным свойствам наша Вселенная расширяется с ускорением.

Алена Коргамбаева 19.07.2016 18:41 Заявить о нарушении

Спасибо, уважаемые синьоры, за ваши замечания, за ваш интерес к затронутой теме. Я не специалист по данным вопросам, но попытался изложить то, что сам понял из чтения популярной литературы. Без серьезной математической подготовки, без оперирования фактами после ознакомления с ними в признанных научных журналах нам не дано до конца глубоко вникнуть в тему.

Вадим Бережной 20.07.2016 06:27 Заявить о нарушении

Благодарю Вас, Вадим!
А моему воинствующе-антиверующному богоборческому так обожающему хамить множеству малознакомых ему авторов и собеседников клону-троллю - любителю посмачнее плевать в души верующих и просто допускающих существование Бога людей, ему я отвечу вот что:
Может быть и разберётесь, если в верном направлении пойдёте.
Но пока что замечено лишь Ваше дилетантское продвижение к кривде, к шарлатанству разных там алюшиных.
Алюшин пишет (цитирует уважаемый Вадим): "Отсутствие, несмотря на активные поиски, следов существования гравитационного поля...", что говорит о том, что он не понимает сути такой формы материи как поле.

Моё скромное искреннее мнение:
И гравитационное поле есть и следы его реально объективно обнаружены, хотя бы те же гравитационные волны.
И гравитационные волны и другие явные приметы гравитационного поля.
Считаю, Алюшин не прав, и не только в этом, а вот Вадим и дамы правы.
Благодарю Вас, уважаемые Вадим, Алина, Алёна и Татьяна! :)

Думаю, я здесь выражу настрой целого поколения людей, которые ищут частицы темной материи с тех самых пор, когда были еще аспирантами. Если БАК принесет дурные вести, вряд ли кто-то из нас останется в этой области науки.

Один из срочных вопросов, на которые БАК, возможно, даст ответ, далек от теоретических измышлений и имеет самое что ни на есть прямое отношение к нам. Вот уже несколько десятилетий астрономия силится разгадать трудную загадку. Если подсчитать всю массу и энергию в космосе, оказывается, что львиная доля материи скрыта от наших глаз. По современным подсчетам, светящееся вещество составляет всего 4% от полного количества материи во Вселенной. В эту жалкую долю входит все, что сделано из атомов: от газообразного водорода до железных ядер планет вроде Земли. Примерно 22% приходится на темную материю, компоненту вещества, которая не излучает электромагнитных волн и дает о себе знать только посредством своего гравитационного поля. Наконец, современные данные говорят, что 74% находится в форме темной энергии, материи неизвестной природы, заставляющей Вселенную расширяться ускоренно. Одним словом, Вселенная - это несобранная мозаика. Может быть, недостающие кусочки поможет найти БАК?

Гипотезы о скрытой материи начали высказываться задолго до того, как эта проблема была признана широкой научной общественностью. Первые подозрения о том, что помимо видимого вещества Вселенную в узде держит нечто еще, появились в 1932 г. Голландский астроном Ян Оорт подсчитал, что звезды во внешних областях галактик двигаются так, будто на них действует гораздо большее тяготение, чем то, которым обладает наблюдаемая материя. Млечный Путь по сути своей похож на гигантскую карусель с лошадками. Звезды вращаются вокруг галактического центра, одни чуть ближе, а другие чуть дальше от диска Галактики. Оорт измерил их скорости и нашел, какой должна быть гравитационная сила Млечного Пути, чтобы она удерживала звезды вблизи галактической плоскости и не давала Галактике рассыпаться. Зная эту силу, Оорт оценил полную массу нашей звездной системы (эта величина сегодня известна как предел Оорта). Результат оказался неожиданным: она была в два раза больше наблюдаемой массы излучающих свет звезд.

В следующем году физик болгарского происхождения Фриц Цвикки, работавший в Калтехе, независимо исследовал, сколько нужно гравитационного «клея», чтобы удержать вместе богатое скопление галактик в созвездии Волосы Вероники . Расстояния между галактиками в группе большие, из-за чего Цвикки и получил для гравитационной силы большую величину. По ней можно было посчитать количество материи, необходимой, чтобы такую силу создать. Цвикки изумился, увидев, что оно в сотни раз превосходит массу видимого вещества. Похоже, эта объемистая структура стояла на замаскированных подпорках, которые одни только и могли ее удержать в устойчивом состоянии.

В 30-х гг. XX в. ученым о Вселенной мало что было известно, если не считать обнаруженного Хабблом расширения. Даже представление о других галактиках как об «островных вселенных», подобных Млечному Пути, находилось в зачаточном состоянии. Неудивительно, что при таком младенческом возрасте физической космологии на необыкновенные открытия Оорта и Цвикки почти никто не обратил внимания. Прошли годы, прежде чем астрономы осознали их значение.

Теперешним интересом к темной материи мы обязаны смелости молодой Веры Купер Рубин, которая вопреки всем предрассудкам того времени (на женщин-астрономов тогда смотрели искоса) решила заняться астрономией. Рубин родилась в Вашингтоне, округ Колумбия, и с детства засматривалась из окна своей комнаты на звезды. Любила читать книжки по астрономии, особенно биографию Марии Митчелл, получившей международное признание благодаря открытию кометы. Путь Веры Рубин к своей мечте нельзя назвать легким: астрономическое сообщество напоминало в те годы закрытый клуб с яркой табличкой на двери «Женщинам вход воспрещен».

Рубин потом вспоминала: «Когда я училась в школе, мне твердили, что мне нигде не добиться места астронома и что я должна заняться чем-нибудь другим. Но я никого не слушала. Если тебе и вправду чего-то хочется, надо брать и делать и, наверное, иметь смелость что-нибудь изменить в этой области» 86 .

Получив в Вассар-колледже, где когда-то преподавала Митчелл, степень бакалавра астрономии, а в Корнелльском университете - магистра астрономии, Рубин вернулась в родной город, чтобы продолжить изучать астрономию в Университете Джорджтауна. Научным руководителем ее диссертации на степень доктора философии стал Георгий Гамов. Он хоть и не числился среди преподавателей университета, но тоже интересовался эволюцией галактик, и ему разрешили работать с Рубин. Под его началом она и защитилась в 1954 г.

В заботах о четырех детях, рожденных в браке с математиком Робертом Рубином, ей было непросто найти постоянную работу, которая позволила бы совмещать семью и науку. В конце концов, в 1965 г. Отделение земного магнетизма Института Карнеги в Вашингтоне включило ее в состав научных сотрудников. Там Рубин вступила в творческий союз со своим коллегой Кентом Фордом. У того был построенный собственными руками телескоп, и они вместе занялись активными наблюдениями внешних областей галактик.

В первую очередь астрономы направили телескопическую трубу на ближайшую спиральную соседку Млечного Пути, галактику в созвездии Андромеды. С помощью спектрографа они стали собирать данные о доплеровском смещении в спектрах звезд, находящихся на галактической периферии. Доплеровское смещение - это увеличение (уменьшение) частоты излучения от объекта, движущегося к наблюдателю (от наблюдателя). Величина этого смещения зависит от относительной скорости тела. Эффект Доплера свойственен любому волновому процессу, в том числе свету и звуку. Например, всякий раз, когда мы слышим, как пожарная сирена, приближаясь, завывает все выше, а удаляясь, понижает тон, мы имеем дело с этим эффектом. Если говорить о свете, то с приближением источника его излучение сдвигается в фиолетовую область спектра (фиолетовое смещение), а с удалением - в красную (красное смещение). Красные смещения галактик послужили Хабблу доказательством того, что далекие галактики разлетаются от нас. Эффект Доплера в электромагнитных спектрах до сих пор является одним из незаменимых инструментов астрономии.

Сняв спектры звезд во внешних частях Андромеды и измерив величину смещения, Рубин и Форд смогли посчитать скорость звездного вещества. Они определили, насколько быстро звезды на галактической окраине движутся вокруг центра притяжения. Затем ученые из Института Карнеги построили график: по вертикали отложили орбитальные скорости, а по горизонтали - расстояние от центра. Эта зависимость, называемая кривой вращения галактики, наглядно показывала, как на карусели Андромеды кружатся самые крайние ее части.

Как установил Кеплер еще несколько столетий назад, в астрономических объектах, в которых основная часть массы сосредоточена в центре (пример - Солнечная система), чем дальше тело от середины, тем меньше его скорость. Внешние планеты движутся по своим орбитам гораздо медленнее, чем внутренние. Меркурий мелькает около Солнца со скоростью около 50 км/с, в то время как Нептун еле-еле ползет - примерно 5,5 км/с. Причина проста: солнечное притяжение быстро убывает с радиусом, а масса, которая бы могла повлиять на скорости планет, во внешних частях Солнечной системы отсутствует.

Раньше думали, что в спиральных галактиках, наподобие Млечного Пути, вещество распределено так же компактно. В наблюдениях видно: плотнее всего звезды населяют центральную часть галактик и образуют шаровидную структуру (астрономы говорят «балдж»). Спиральные рукава и ореол, окутывающий галактический диск, наоборот, выглядят разреженными и эфемерными. Но первое впечатление обманчиво.

Строя кривую вращения Андромеды, Рубин и Форд твердо были уверены, что, как в Солнечной системе, на больших расстояниях скорости будут падать. Но вместо этого график выходил на прямую линию, чем ученые были изрядно озадачены. На месте горного склона оказалось ровное плато. Плоская форма профиля скорости означала, что на самом деле масса простирается далеко за пределы наблюдаемой структуры. Нечто скрытое от наших глаз оказывает ощутимое воздействие на те области, где гравитация, по нашим представлениям, должна быть исчезающе малой.

Чтобы понять, является ли такое поведение скоростей в Андромеде исключением или правилом, Рубин и Форд совместно со своими коллегами из Института Карнеги Норбертом Тоннардом и Дэвидом Берстайном решили проверить еще 60 спиральных галактик. Хотя спиральные не единственный тип галактик - есть эллиптические, есть галактики неправильной формы, - астрономы выбрали «вихрь» за его простоту. В отличие от других типов галактик, в спиральных звезды в рукавах все вращаются в одном направлении. Поэтому их скорости легче отложить на графике, а значит, легче проанализировать.

Группа ученых выполнила наблюдения на обсерваториях Китт-Пик в Аризоне и Серро-Тололо в Чили и построила кривые вращения для всех 60 галактик. На удивление, на каждом графике был такой же плоский участок, как у Андромеды. Отсюда Рубин и ее соавторы сделали вывод, что основная часть вещества в спиральных галактиках собрана в протяженные невидимые образования, которые, если не считать гравитационного поля, никак себя не проявляют. Проблема, мучавшая Оорта и Цвикки, встала во весь рост!

Кто скрывается за маской? Может быть, темная материя состоит из обычного вещества, но его плохо видно? Может, наши телескопы всего-навсего слишком слабы, чтобы разглядеть все объекты в космосе?

Одно время на роль темной материи предлагались небесные тела, в чьем названии отразилась приписываемая им гравитационная мощь: мачо-объекты (МАСНО, акроним от англ. Massive Compact Halo Objects - «массивные компактные объекты гало»). Это массивные небесные тела в гало галактик, излучающие мало света. К ним, в частности, относятся планеты-гиганты (размером с Юпитер и больше), коричневые карлики (звезды с весьма непродолжительной стадией термоядерного горения), красные карлики (слабосветящиеся звезды), нейтронные звезды (звездные ядра, пережившие катастрофическое сжатие (коллапс) и состоящие из нуклонной материи) и черные дыры. Все они состоят из барионного вещества, к которому относится вещество атомных ядер и его ближайшие родственники, например водородный газ.

Для охоты за мачо-объектами и другими тусклыми источниками гравитационного притяжения астрономы разработали искусный метод под названием гравитационное микролинзирование. Гравитационная линза - это массивное тело, которое, подобно призме, отклоняет свет. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, тяжелые тела прогибают вокруг себя пространство-время, из-за чего траектория проходящего мимо луча искривляется. В 1919 г. эффект линзирования наблюдался во время солнечного затмения: в этот момент удается рассмотреть звезды вблизи диска Солнца, которое и отклоняет их свет.

Поскольку мачо-объекты, проходящие между Землей и далекими звездами, должны искажать изображение, микролинзирование дает способ их «взвесить». Если мачо-объект вдруг окажется на луче зрения в направлении наблюдаемой звезды (например, одной из звезд близкой галактики), она благодаря гравитационной фокусировке на миг станет ярче. А когда «мачо» пройдет мимо, звезда потускнеет и примет прежний вид. По этой кривой блеска астрономы могут вычислить массу объекта.

В 90-х гг. в рамках проекта МАСНО международная группа астрономов из обсерватории на горе Стромло в Австралии составила каталог, в который вошли около 15 «подозрительных» событий. Участок за участком просматривая гало Галактики и используя в качестве звездного фона Большое Магелланово Облако (спутник Млечного Пути), ученые натолкнулись на характерные кривые блеска. По этим наблюдательным данным астрономы оценили: около 20% всей материи в галактическом гало составляют мачо-объекты с массой от 15 до 90% массы Солнца. Эти результаты свидетельствовали о том, что окраину Млечного Пути населяют тусклые и сравнительно легкие звезды, которые хоть почти и не светят, но создают силу притяжения. То есть частично прояснилось, какие небесные тела водятся на периферии Галактики, но чем объяснить оставшуюся долю скрытой массы по-прежнему было непонятно.

Есть и другие причины полагать, почему мачо-объекты не могут дать окончательный ответ на загадку темной материи. В астрофизических моделях нуклеосинтеза (образования химических элементов), зная, в каком количестве сегодня присутствует тот или иной элемент в космосе, можно рассчитать, сколько протонов содержала Вселенная в первые моменты после Большого взрыва. А это дает возможность оценить долю барионного вещества во Вселенной. К сожалению, расчеты показывают, что только часть темной материи имеет барионную природу, остальное находится в какой-то другой форме. Поскольку мачо-объекты, состоящие из знакомых нам барионов, не подошли на роль панацеи, ученые обратили свой взор на других кандидатов.

Неслучайно мачо-объекты наградили столь брутальным названием: тем самым их хотели противопоставить другому классу тел, предложенных для объяснения темной материи, - неуловимым «вимпам» (WIMP - слово, образованное от англ. Weakly Interacting Massive Particles - «слабовзаимодействующие массивные частицы»). В отличие от «мачо», «вимпы» - это не небесные тела, а новый тип массивных частиц, которые участвуют только в слабых и гравитационных взаимодействиях. Раз они тяжелые, «вимпы» должны обладать небольшими скоростями, что делает их превосходным гравитационным «клеем»: они не дают распасться гигантским структурам, наблюдаемым в космосе, таким как галактики и скопления галактик.

Нейтрино можно было бы не сбрасывать со счетов, будь они тяжелее и усидчивей. Ведь они, как и положено лептонам, обходят стороной сильные процессы, и, как всем нейтральным частицам, им не страшен электромагнетизм. Однако ничтожная масса и непоседливость нейтрино заставляют исключить их из рассмотрения. За их юркость нейтрино можно уподобить поверхностному политику, который то и дело совершает вылазки в разные округа, стремясь привлечь на свою сторону электорат перед выборами в городской совет. Разве захотят люди объединяться вокруг человека, который не в состоянии осесть на одном месте и завоевать твердую поддержку? Так и нейтрино, которые нигде подолгу не задерживаются и мало на что влияют, вряд ли подходят на роль объединяющего стержня.

Нейтриноподобные частицы - слишком легкие и быстрые, чтобы образовывать структуры, - получили название горячей темной материи. Хотя скрытая масса во Вселенной в какой-то степени может состоять из них, с их помощью нельзя объяснить, почему звезды во внешних областях галактик держатся за свой родной «остров» так крепко и почему сами галактики собираются в скопления. Более грузное вещество, отличающееся размеренным шагом, в том числе «мачо» и «вимпы», относятся к классу холодной темной материи. Если бы нам удалось достаточно ее наскрести, мы бы знали, из чего сделаны космические подпорки.

Но если не нейтрино, то какие нейтральные частицы неадронного происхождения обладают значительной массой и могут летать настолько медленно, чтобы оказывать влияние на звезды и галактики? Как ни прискорбно, но в Стандартной модели такие в дефиците. Помимо нейтрино, «мачо» и «вимпов» на роль темной материи претендует, и, как считают некоторые теоретики, небезосновательно, аксион. Эта массивная частица вводится в квантовой хромодинамике (теории сильных взаимодействий), но до сих пор экспериментально не обнаружена. На данный момент поиски скрытой массы во Вселенной зашли в тупик.

Самое время попросить помощи у БАК. Возможно, в осколках столкновений на ускорителе будет крыться разгадка тайны холодной темной материи. Первыми в списке претендентов идут легчайшие суперсимметричные партнеры: нейтралино, чарджино, глюино, фотино, скварки, слептоны и некоторые другие. Если их масса (в энергетических единицах) не сильно отличается от тераэлектронвольта, их нетрудно будет заметить по характерным распадам, проявляющимся в калориметрах и системах слежения.

Но если бы темная материя была единственной вселенской загадкой, физики бы прикусили язык, скрестили пальцы и сидели бы тихонько ждали, пока БАК или какой-нибудь еще прибор выдаст подходящие результаты. Это как вывесить объявление о работе и спокойно ожидать, когда на собеседование придет квалифицированный специалист. На горизонте, однако, появился орешек покрепче, уже успевший доставить ученым хлопот. Речь идет о темной энергии. Мало того, что они не знают, что именно от них скрывается, они даже не представляют, где искать.

Впервые научное сообщество лицом к лицу столкнулось с темной энергией в 1998 г. Тогда две группы астрономов - научный коллектив из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли под началом Сола Перлмуттера и наблюдатели обсерватории на горе Стромло (в их числе Адам Рисс, Роберт Киршнер и Брайан Шмидт) - огласили потрясающую новость о расширении Вселенной. Чтобы проследить, как космос расширялся в прошлом, исследователи измеряли расстояния до сверхновых в далеких галактиках. Отложив на одном графике эти расстояния в зависимости от скоростей галактик, найденных по доплеровскому смещению спектральных линий, астрономы смогли определить, как параметр Хаббла, характеризующий скорость удаления, менялся на протяжении миллиардов лет.

Использованные в наблюдениях звезды, так называемые сверхновые типа 1а, обладают замечательным свойством: в интенсивности энергии, излучаемой ими во время взрыва, прослеживаются определенные закономерности. Благодаря столь предсказуемому поведению упомянутым группам удалось посчитать расстояния до звезд, сравнивая наблюдаемую яркость с известным значением. Другими словами, астрономам досталась своего рода рулетка, с помощью которой можно «достать» до звезд, находящихся за миллиарды световых лет от нас, то есть взорвавшихся давно в прошлом.

Астрономический объект с известной абсолютной светимостью называется стандартной свечой. Когда мы едем ночью на автомобиле и смотрим на придорожные фонари, мы можем прикинуть расстояние до того или иного фонаря по тому, кажется ли он нам ярким или тусклым. Если, конечно, предположить, что все они выдают одну и ту же мощность. Приключись так, что во время ночной прогулки вам в глаза ударила яркая вспышка, вы, скорее всего, решили бы, что ее источник около вас. А про едва различимый свет невольно думаешь, что он где-то далеко. Одним словом, мы часто оцениваем расстояние по видимой яркости источника света. Так и астрономы, приняв какой-нибудь объект, например сверхновую типа 1а, за стандартную свечу, получают в свое распоряжение едва ли не единственный инструмент для измерения больших расстояний.

Научный коллектив Перлмутгера, воплощавший проект SCP («Космология со сверхновыми»), имеет непосредственное отношение к физике элементарных частиц. Начнем с того, что эта программа, как и исследования реликтового излучения на спутнике СОВЕ, принесшие Джорджу Смуту Нобелевскую премию, продолжает традиции лаборатории Лоуренса. Такой широкий взгляд на вещи полностью в духе руководителя «Рэд Лаба», который повсюду искал взаимосвязи и пробовал применять методы одной области науки в другой. Кроме того, один из инициаторов проекта SCP, Джерсон Голдхабер, являющийся, по всеобщему признотал в Кавендишской лаборатории во времена Резерфорда и Чэдвика, а потом в течение многих лет занимал пост директора Национальной лаборатории в Брукхейвене. Можно сказать, что космология и физика элементарных частиц - науки о самом большом и самом малом - давно породнились.

Когда стартовала программа SCP, ее участники надеялись, взяв сверхновые за стандартные свечи, убедиться в замедлении Вселенной. Сила тяготения, казалось бы, по самой своей природе стремится задержать разбегание любой системы массивных тел, удаляющихся друг от друга. Проще говоря, подброшенное вверх падает вниз, ну или как минимум замедляется. Космологи поэтому предвидели три возможных пути космической эволюции. В зависимости от соотношения между средней и критической плотностью Вселенной она либо довольно быстро замедляется, и расширение сменяется сжатием, либо замедляется не очень сильно, и точка останова не достигается, либо, при равенстве двух плотностей, пребывает в граничном состоянии и тоже расширяется бесконечно долго.

Все три сценария начинаются с обыкновенного Большого взрыва. Если Вселенная достаточно плотная, она постепенно тормозится, и наконец через миллиарды лет расширение сменяется сжатием. Все сущее, в итоге, перемалывается в Большой мясорубке. Если же плотность ниже критического значения, расширение Вселенной продолжается, замедляясь, бесконечно долго - космос преодолевает дистанцию через силу, как выдохшийся бегун. Хотя разлет галактик становится все более вялым, у них никогда не хватит смелости побежать навстречу друг дружке. Эту альтернативу иногда называют Большим стоном. Третья возможность: средняя плотность в точности равна критической. В этом случае Вселенная тормозится и, того и гляди, вот-вот начнет сжиматься, но этого не происходит. Она, как опытный канатоходец, с легкостью держит равновесие.

Перлмуттер и его сотрудники ожидали увидеть один из этих трех вариантов. Однако наблюдения сверхновых противоречили известным схемам. Из графиков зависимости скорости от расстояния следовало, что расширение совсем не замедляется. Более того, ускоряется. Будто что-то заставило гравитацию перепутать педаль тормоза с газом. Но ни одно из известных веществ в этих происках заподозрить было нельзя. Теоретик Майкл Тернер из Чикагского университета окрестил необычную компоненту темной энергией.

Хотя темная энергия не менее загадочна, чем темная материя, в их свойствах мало общего. Темная материя вызывает такую же силу притяжения, как обычное вещество, а вот темная энергия представляет собой своего рода «антигравитацию», заставляя тела разлетаться с ускорением. Очутись темная материя на вечеринке, она бы стала представлять гостей друг другу и вовлекать во всеобщее веселье. Темной энергии, наоборот, по душе работа в спецназе, подавляющем уличные беспорядки. В самом деле, если бы космос был слишком обильно сдобрен темной энергией, Вселенная встала бы на роковой путь, заканчивающийся Большим разрывом, - ее бы просто-напросто разнесло вдребезги.

В связи с темной энергией физики заговорили о том, чтобы вернуть в общую теорию относительности космологическую постоянную, от которой когда-то отказался Эйнштейн. Хотя слагаемое, описывающее антигравитацию (лямбда-член), разрешает проблему малой кровью, неплохо было бы его обосновать с физической точки зрения. Физики очень неохотно добавляют в стройные теории новые члены, если к этому нет каких-то фундаментальных предпосылок. Другими словами, космологической постоянной надо бы найти место в теории поля. Однако современные теории поля дают немыслимую величину вакуумной энергии. Чтобы из нее получилось реалистичное значение, ее нужно уменьшить почти до нуля (именно что почти, а не точно). Обнаруженное и экспериментально измеренное космическое ускорение задало ученым сложную головоломку.

Более того, если темная энергия остается постоянной во времени и в пространстве, ее влияние никогда не ослабевает. По мере того как гравитация со временем сдает свои позиции темной энергии, Вселенная все ближе к Большому разрыву . Прежде чем смириться со столь мрачным концом, большинство теоретиков предпочитают поразмыслить и придумать что-нибудь получше.

Принстонский теоретик Пол Стейнхардт, а также Роберт Колдуэлл и Рахул Дейв предложили оригинальный способ смоделировать темную энергию. Они ввели новую разновидность материи под названием квинтэссенция. Квинтэссенция - это гипотетическое вещество, которое, вместо того чтобы заставлять тела скучиваться (как обычная материя, служащая источником силы тяготения), расталкивает их (как могучий Самсон колонны филистимлянского храма). Термин для этого вещества взят из античной философии, в которой квинтэссенция («пятая сущность») продолжала ряд четырех элементов Эмпедокла. Разница между космологической постоянной и квинтэссенцией состоит в следующем: в то время как первая стоит на месте как вкопанная, вторая подобна податливому пластилину - может меняться от места к месту и от эпохи к эпохе.

Наблюдения реликтового излучения на спутнике WMAP свидетельствуют в пользу того, что космос заполнен смесью темной энергии, темной материи и видимого вещества (именно в таком порядке). Но снимки с зонда пока, однако, молчат о том, из каких ингредиентов приготовлен двойной темный коктейль.

Физики надеются, что приоткрыть завесу тайны над природой темной энергии и темной материи поможет БАК. Будь на крупнейшем коллайдере открыта, например, квинтэссенция, это означало бы революцию в космологии и радикально изменило бы наши представления о материи, энергии и Вселенной. Посудите сами, благодаря этому открытию мы бы узнали, какое будущее ждет все сущее.

Добавлением лямбда-члена и введением необычного вещества гипотезы не ограничиваются. Как считают некоторые теоретики, настало время пересмотреть саму теорию гравитации. Может быть, гравитационные силы по-разному проявляются на разных масштабах: в пределах планетных систем ведут себя так, а на галактических просторах - по-другому? Может ли так получиться, что общую теорию относительности Эйнштейна, по нашим представлением, вроде бы верную, на самых грандиозных расстояниях придется заменить другой теорией? Как однажды сказала Рубин: «Похоже, пока мы не узнаем, что такое гравитация, мы не узнаем, что такое темная материя» 87 .

В новаторских теориях гравитации предлагается радикально изменить механизм и область ее действия. Некоторые ее свойства, утверждают приверженцы этих теорий, получают естественное объяснение, если предположить, что сила тяготения проникает в скрытые дополнительные измерения, куда доступ остальным формам материи и энергии воспрещен. Тогда темный сектор Вселенной может быть тенью более высоких сфер.

Примечательно, что отдельные экзотические теории такого типа, какими бы странными они ни казались, могут быть проверены на БАК. Горячая топка высокоэнергетичных превращений способна не только вызвать к жизни невиданные частицы, но и нащупать новые измерения. Кто знает, с каких давних секретов природы беспрецедентная мощь БАК сорвет покровы…

Среди других астрономических наук космология стоит особняком. Это одна из древнейших наук. Достаточно вспомнить написанную на эту тему «Теогонию" Гесиода (VIII-VII века до н. э.). Космология изучает Вселенную в целом и относится к группе естественных наук. Современное научное обоснование она получила только в начале ХХ века - с появлением общей теории относительности (ОТО).

Коль скоро в основе космологии лежит теория относительности, то все эксперименты по проверке ее истинности вносят свою лепту и в обоснование космологии. Однако, имея своей основой теорию относительности, космология к ней не сводится и, таким образом, имеет собственную наблюдательную базу.

Вплоть до начала 90-х годов ХХ века наблюдательная база космологии развивалась в традиционных для всей астрономии рамках. Вводились в строй все более крупные телескопы, расширялся волновой диапазон наблюдений. Предметом исследования долгое время оставались только галактики и связанные с ними явления, например, квазары. Качественно новая эра в развитии космологии началась в 1992 году с открытием так называемого реликтового излучения (появившегося, как предполагают в момент "большого взрыва"), которое содержит информацию о многих параметрах и процессах во Вселенной. Ценность данных, получаемых при исследовании реликтового излучения, имеет большое значение еще и потому, что она несет информацию об очень ранней стадии расширения Вселенной, когда еще не существовало никаких галактик.

Классическая космология в том виде, в каком она существовала во времена Эйнштейна и Фридмана, допускала любые значения плотности Вселенной - как больше, так и меньше критического значения. Критическим значение плотности названо не случайно. Только при этом (критическом) значении пространственная кривизна Вселенной равняются нулю и основной ее параметр – барион, то есть то, из чего состоит вещество, оказывается не зависимым от времени. К достижениям в изучении Вселенной последнего десятилетия относится, в первую очередь, изменение представлений о плотности Вселенной: получены данные, что полная плотность Вселенной с высокой точностью равна критическому значению.

Это, не стало неожиданностью - большинство теоретиков рассматривало ее как наиболее вероятную еще с начала 1980-х годов, когда была предложена общепринятая ныне концепция космологической инфляции - модели очень быстрого расширения Вселенной на ранней стадии ее эволюции.

С инфляцией в экономике сталкивались все, и мало кто может сказать, что это положительное явление. С космологической инфляцией все обстоит наоборот - она успешно решила почти все проблемы классической космологии и существенно понизила актуальность двух-трех оставшихся.

То, что обычное вещество не оказывает практически никакого влияния на динамику расширения Вселенной, давно и твердо установленный факт. Еще в середине 1970-х годов исследование процессов в расширяющейся Вселенной - главным образом, процессов образования ядер дейтерия, лития, изотопов гелия с атомным весом 3 и 4 - показало, что количество образующихся ядер зависит от полного числа барионов.

Таким образом, окончательную точку в решении проблемы темной материи, взаимодействующей с барионами только гравитационно и поставили недавние исследования реликтового излучения, которые определили плотность темной материи с высокой точностью. Однако вопрос ее физической природы до сих пор остается открытым, так как экспериментально ни один вид таких частиц до сих пор не был зарегистрирован.

Вторая проблема - это сама физическая природа космологической постоянной: эквивалентна ли она той, которую ввел Эйнштейн, или это что-то иное. Доминирование во Вселенной космологической постоянной радикальным образом отражается на ее эволюции - такая Вселенная расширяется с ускорением и имеет больший возраст (со всеми вытекающими отсюда последствиями), чем Вселенная, в которой эта постоянная равна нулю.

С теоретической точки зрения наличие космологической постоянной пока не имеет серьезных или, по крайней мере, общепринятых обоснований. Скорее ее можно назвать "лишней" величиной, но наши представления о Вселенной не изменились бы кардинальным образом, если бы оказалось, что на самом деле космологическая постоянная равна нулю (или так мала, что не может быть определена при существующем уровне техники). Однако космология, как и все естественные науки, строится на фундаменте наблюдательных данных, и эти данные свидетельствуют в пользу ее значительной величины.

Мы живем в мире, динамикой расширения которого управляет неизвестная нам форма материи. Единственное, что мы достоверно знаем о ней - это факт ее существования и уравнение ее состояния вакуумоподобного типа. Нам неизвестно, изменяется ли уравнение состояния темной энергии со временем и если изменяется, то как. Это значит, что все рассуждения о будущем Вселенной по сути спекулятивны и основаны на эстетических воззрениях их авторов.

По материалам журнала «Наука и жизнь»

Оригинал статьи находится на сайте NewsInfo

на журнал "Человек без границ"