Тёмное вещество, как и сама его природа, является величайшей загадкой науки. Разгадать эту загадку — означает выявить вероятных виновников существования темной материи.
На протяжении десятилетий наше понимание мира росло настолько стремительно, что новая концепция и теория появлялись практически каждый год. Только в конце 20 века учёные обнаружили, что примерно 85 процентов Вселенной состоит из тёмного вещества.
Исследователи и астрономы словно детективы охотятся за этим неуловимым веществом, отыскивая новые, почти незаметные улики, перебирая запутанные доказательства, и, что самое важное, идентифицируя возможных “подозреваемых” (кандидатов — прим.ред. Здесь и дальше в оригинальном тексте используются отсылки к фильму “Unusual Suspects”, “Необычные подозреваемые”).
«Тёмная материя – это частицы, которые, по нашему мнению, существуют во Вселенной, но которые мы не можем видеть напрямую», — говорит физик-теоретик Джохар Ашфак, который сейчас работает специалистом по анализу данных в Фонде NHS при университете Восточного Кента. Однако впервые он заинтересовался тёмным веществом, когда изучал теорию струн в Ливерпульском институте.
«Кажется, что эта материя имеет массу, но не поглощает и не испускает электромагнитное излучение», — объясняет он. «Учитывая тот факт, что взаимодействие со светом отсутствует, нетрудно понять, что нам было трудно обнаружить вообще что-либо о природе этих загадочных частиц».
Однако не всё так плохо и учёным удалось пролить на проблему свет. Несмотря на то, что на тёмное вещество не воздействуют электромагнитные силы, оно взаимодействует с гравитацией! Именно так учёные узнали, что оно действительно существует.
Дело в том, что гравитация барионного вещества, которое заключено в звёздах, планетах и газе галактик, недостаточно сильна, чтобы связывать все эти структуры вместе. Если бы тёмной материи не существовало, астрономы увидели бы, что звёзды на окраинах галактик обращаются гораздо медленнее, чем те, которые находятся рядом с центром. Однако из наблюдений галактики Андромеда, выполненных Верой Рубин и Кентом Фордом в конце 1970-х годов, исследователи обнаружили противоположную картину. Оказалось, что видимое вещество, которое находится на окраине галактики, обращается быстрее, чем должно. Этот факт позволяет предположить, что галактики содержат невидимую форму небарионного вещества, которую учёные и назвали тёмной материей.
Именно поэтому астрономы и исследователи похожи на сыщиков, которые собирают по крупицам подсказки и улики. Они ищут следы косвенного воздействия тёмного вещества в надежде идентифицировать вероятных «кандидатов».
Облава на обычных “подозреваемых”
Большинство возможных кандидатов уже есть в списках учёных. Эти частицы могут соответствовать свойствам тёмной материи, а на протяжении многих лет исследователям удавалось найти реальные доказательства наличия этих свойств.
Вероятные источники тёмного вещества делятся на два типа: холодная тёмная материя (Cold Dark Matter — CDM) и горячая тёмная материя (Hot Dark Matter — HDM). Причём названия категорий не относится к температуре; они касаются скорости. Так, «холодная» материя движется гораздо медленнее скорости света.
Один из кандидатов в CDM для тёмного вещества — слабо взаимодействующие массивные частицы (Weakly Interacting Massive Particles — WIMP). Эти потенциально существующие частицы называются «слабыми», потому что они взаимодействуют друг с другом только через две из четырёх фундаментальных сил: гравитацию и слабое ядерное взаимодействие.
Джоэл Примак, почётный профессор физики Калифорнийского университета в Санта-Крус, говорит: «Хайнц Пейджелс и я были первыми, кто указал в нашей статье 1982 года в Physical Review Letters, что легчайшая суперсимметричная частица-партнёр является естественным кандидатом в тёмную материю. А самой лёгкой суперсимметричной частицей-партнёром оказалась WIMP». Учёные составили описание частицы, но тем не менее, астрономам все равно придётся «поймать» WIMP, чтобы доказать, что именно они причастны к тёмному веществу.
Хотя прямых доказательств пока ещё нет и WIMP остаются неуловимыми, исследователи уже нашли косвенные доказательства.
Примак говорит: «Гамма-лучи из центра Млечного Пути прекрасно соответствуют предсказаниям аннигиляции WIMP». Когда эти частицы входят в контакт друг с другом, они не просто объединяются в пары или отталкиваются, они полностью уничтожают друг друга, создавая при этом мощный всплеск энергии. Однако, с сожалению, есть и другие объяснения гамма-лучей.
В дополнении к этой гипотезе, стоит добавить, что когда физики запускают моделирование ранней Вселенной, они видят как WIMP появляются и «доживают» до наших дней. Однако эти частицы до сих пор являются неподтверждёнными кандидатами, поскольку астрономы не могут напрямую связать WIMP с тёмным веществом.
Помимо WIMP учёные также обнаружили нейтрино — беззарядные, практически безмассовые частицы, соответствующие критериям слабого взаимодействия WIMP. Но нейтрино движутся почти со скоростью света и не вписываются в модель холодной тёмной материи.
Нейтрино подходят в качестве кандидатов в HDM. Некоторые физики предполагают, что существуют более массивные нейтрино — стерильные нейтрино. Эти частицы, так же как и WIMP, слабо взаимодействуют с барионным веществом и игнорируют электромагнитное взаимодействие, но они могут обладать достаточной массой, чтобы входить в состав тёмной материи.
Несмотря на свою массу, стерильное нейтрино сложнее обнаружить, в отличие от обычных нейтрино, которые в изобилии производятся Солнцем и другими звёздами. Однако стерильное нейтрино может быть важным звеном в разгадке тайны тёмного вещества.
И все же не все подозреваемые в частицы тёмной материи должны иметь большую массу.
Аксионы: сверхлегкие
Аксионы похожи на фотоны, но в отличие от последних, не имеющих массы, аксионы обладают ею, возможно, в миллиардную часть массы электрона.
Аксионы — пожалуй, одни из самых интересных кандидатов на роль тёмной материи, прежде всего из-за того, что их существование может одновременно разрешить ещё одну важную загадку физики. Эти частицы потенциально могут объяснить, почему ранняя Вселенная предпочла вещество антивеществу, несмотря на то, что изначально между ними была симметрия. Астрофизики считают, что аксиомы могут помочь решить проблему «нарушения зарядовой чётности (C-чётности)». Если они очень плотно упакованы во Вселенную, то несмотря на их крошечную массу они могут объяснить существование тёмной материи.
Соблазн убить двух зайцев одним выстрелом только укрепил желание теоретиков добавить аксионы в короткий список возможных подозреваемых в частицы тёмного вещества. «Аксион – лучшее решение для предотвращения нарушения C-чётности», – говорит Примак. Тем не менее, Примак также предостерегает от того, чтобы соглашаться на ответ лишь из соображений удобства: «Есть, однако, проблема: аксионы не вносят значительного вклада в плотность тёмного вещества Вселенной».
Учёный до сих пор считает, что аксионы и WIMP являются главными подозреваемыми в частицы тёмной материи. «Аксионы и суперсимметричные WIMP остаются двумя кандидатами, которые мотивируются некосмологическими аргументами, – говорит он, – и обладают тем достоинством, что взаимодействуют с обычными частицами. Таким образом, их можно обнаружить».
Не покидай город
Некоторые потенциальные кандидаты на звание частицы тёмной материи не такие уж и гипотетические, однако при этом слишком странные. Словно детективы, очищающие список подозреваемых, у которых есть сильное алиби, астрономы также вычёркивают потенциальных кандидатов в частицы тёмного вещества.
Вот один из примеров. Массивные астрофизические компактные гало-объекты (Massive astrophysical compact halo objects — MACHO). К ним относятся остатки мёртвых звёзд: белые карлики и нейтронные звёзды, а также несостоявшиеся светила коричневые карлики. Несмотря на то, что эти тела являются экзотическими по земным меркам и астрономы не могут обнаружить у них электромагнитного излучения, они все ещё состоят из барионного вещества, а значит взаимодействуют с фундаментальными силами предсказуемым образом. Единственная причина, по которой мы не можем увидеть MACHO, заключается в том, что их световые процессы прекратились или даже не успели начаться, поэтому они не излучают свет.
MACHO на данный момент исключены из кандидатов в тёмную материю. Исходя из расчётов астрономов, массы, в которой заключены все подобные объекты, недостаточны для объяснения «гравитационных аномалий» во Вселенной. Если бы тёмное вещество состояло из MACHO, их бы в космосе должно было быть гораздо больше, чем астрономы наблюдают в настоящее время.
Другой пример: одно время считалось, что тёмного вещества вообще может не существовать. Вместо этого, с упором на теорию Модифицированной ньютоновской динамики (MOdified Newtonian Dynamics — MOND) предполагается, что тёмная материя — это всего лишь космическая иллюзия, возникающая в результате нашего ошибочного понимания того, как работает гравитация в самых грандиозных масштабах.
Теория MOND до сих пор не оправдалась, и, несмотря на то, что с её помощью учёные могут объяснить многие явления, связанные с тёмным веществом, все же все MOND не объясняет их все. Таким образом, даже если мы начнём складывать паззл при помощи этой теории, всё равно останутся незакрытые поля, которые должны объясняться чем-то другим. Теоретическим со-конспиратором, если вам угодно.
«Ни одна из попыток объяснить эффекты тёмной материи без понятия самого тёмного вещества, вроде MOND, не увенчалась успехом», – сообщает Примак. «В лучшем случае они объясняют лишь конкретную, небольшую часть наблюдений». Другими словами, MOND и MACHO, похоже, снялись с крючка “астрономов-расследователей”.
Тайна тёмной материи ещё не решена, но если реальный «виновник» уже находится в руках у астрономов, то всего лишь вопрос времени, когда будет названа частица отвечающая за эффекты тёмной материи и являющаяся той самой частицей тёмного вещества. Возможно, эта частица ещё не доступна даже предположениям учёных. И тогда тайна 85% массы Вселенной откроется нам ещё очень не скоро.
«Для космологов кошмар тёмного вещества состоит в том, что это может быть такая частица, которая слишком слабо взаимодействует с обычным веществом. Только гравитационно», – говорит Примак. И на сегодняшнем этапе развития человечества это, добавляет он, «сделало бы её необнаружимой».