Мы более или менее знаем, из чего состоят наша планета, Cолнечная система и звёзды. Мы даже имеем представление о том, из чего состоят галактики (из тех же звёзд и планет). Наверное, несложно представить состав Вселенной: ведь это скопление огромного количества галактик. Но вдруг выясняется, что 95% этой самой Вселенной состоит из чего-то, что мы не видим и не ощущаем,— но уверены, что она существует. Знакомьтесь — тёмная энергия и тёмная материя.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №2(30). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл совершил одно из самых впечатляющих открытий за всю историю науки — обосновал расширение Вселенной. Ранее эта гипотеза была высказана российским физиком Александром Фридманом. Хабблу удалось вывести линейную зависимость между скоростью удаления галактик и расстоянием до них. Из этого соотношения следует, что чем дальше от нас космический объект, тем быстрее он удаляется.

График зависимости скорости от расстояния (из работы Хаббла)

Учёный исследовал расстояние и скорость 46 галактик. Из-за неточности измерений он получил искажённое значение постоянной — около 500 км/с на мегапарсек (современное значение — 68 км/с на мегапарсек).

Открытие Хаббла опровергало стационарные модели Вселенной, сторонником которых был некоторое время даже Альберт Эйнштейн. В таких моделях Вселенная существует вечно и в почти неизменных размерах, а в нестационарных каким-то образом меняется с течением времени. Фридман предложил модель, в которой Вселенная расширяется, но с замедлением (о его соображениях речь пойдёт ниже). А значит, была некая начальная точка роста.

Физики предполагали, что причиной расширения был некий сильный толчок, и сравнивали его со взрывом, при котором материя разлетается в пространстве, как фрагменты взрывчатки. В дальнейшем это явление получило название Большой взрыв (Big Bang). Учёных интересовало, каким образом разлетались объекты. Для этого надо было понять, какие силы приводили их в движение после взрыва. Мы знаем только четыре вида взаимодействия: слабое (радиус действия 10–18 м), сильное (радиус действия 10–15 м), электромагнитное, гравитационное. И только гравитация способна воздействовать на таких расстояниях и в таких масштабах. Именно она, по мнению физиков, должна была тормозить расширение вплоть до полной остановки и в конце концов вызвать обратный процесс — сжатие.

В 1998 году физики обнаружили, что Вселенная таки расширяется с ускорением! К такому выводу они пришли, наблюдая за вспышками экстремально удалённых сверхновых типа 1а. Вспышка сверхновой — это фактически термоядерный взрыв. Особенность вспышек сверхновых типа 1а в том, что все они имеют одинаковую пиковую яркость. То есть если вы наблюдаете одинаково яркие вспышки, значит, сверхновые находятся на равном удалении от вас. По интенсивности свечения можно определить расстояние до этих звёзд: чем ярче свет, тем ближе объект, и наоборот.

Физики сравнили наблюдения далёких сверхновых, сделанные сто лет назад, с новыми вспышками. Выяснилось, что они менее яркие, то есть находятся дальше, чем предсказывает закон Хаббла, а значит, удаляются от нас с гораздо большей скоростью! Вывод: Вселенная расширяется с ускорением. За это открытие Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс получили в 2011 году Нобелевскую премию по физике.

* Cогласно наблюдениям космического аппарата WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) в 2003 году. Данные получены в результате анализа реликтового излучения (температуры распределения микроволнового излучения по небесной сфере).

Но что же заставляет Вселенную разгоняться вопреки пытающейся схлопнуть её гравитации? Ни одна из известных сил на эту роль не подходит. Поэтому физики ввели понятие тёмная энергия (dark energy). Что мы знаем о ней на сегодняшний день? Во-первых, она не поддаётся обнаружению ни одним доступным нам способом. Во-вторых, мы знаем, что она работает как антигравитация. В-третьих, она равномерно распределена по всей Вселенной. В-четвёртых, и это главное, она хорошо описывает поведение Вселенной, притом что мы не знаем её природу.

В середине 1930‑х годов швейцарский астроном Фриц Цвикки измерил скорости вращения галактик вокруг общего центра в гигантском скоплении Волосы Вероники (кластер Кома). Результат получился настолько нелепым, что многие коллеги посчитали: Цвикки слишком вольно и неточно интерпретировал данные. Ещё бы! Угловая скорость вращения в три раза превышала теоретически предсказанную.

Однако повторные независимые измерения дали тот же результат! Обвинения в научной недобросовестности в адрес швейцарского учёного отпали, но объяснение феномену могло быть только одно: в «причёске» Вероники есть дополнительные объекты, масса которых и оказывает влияние на вращение. Просто уровень оптики не позволяет его разглядеть и учесть.

График зависимости угловой скорости вращения типичной спиральной галактики от расстояния до её центра

Высокая угловая скорость вращения окраин галактик можно объяснить дополнительной массой, однако таких объектов мы не наблюдаем

Скопление стало объектом интенсивных исследований. Все новейшие астрофизические методы немедленно опробовались на Веронике: радиоастрономия, гамма- и инфракрасная телескопия и прочая-прочая-прочая. Учёные нашли большие облака межзвёздного и меж­галактического газа, несколько мощных рентгеновских источников, но все они «раскручивали» скопление всего на несколько процентов, но никак не в три раза! Что же это было? Таинственная невидимая субстанция получила название тёмная материя (dark matter). Она противопоставляется светящейся — той, которую мы можем видеть.

Большие скопления галактик (кластеры) из-за огромной массы деформируют пространство вокруг себя и искажают для наблюдателя свет, идущий от объектов, расположенных за ними. Это явление называется гравитационным линзированием. На схеме показано, как свет далекой галактики гравитационно ­линзируется кластером.

Красными кругами отмечена одна и та же галактика, а голубым один и тоже квазар. Подобный эффект возникает из-за гравитационного линзирования. Снимок кластера галактик SDSS J1004+4112 получен благодаря телескопу Хаббл.

Присутствием тёмной материи объяснялась ещё одна загадка. В 1970‑х годах американка Вера Рубин, астроном хаббловской школы, провела серию измерений скорости вращения вещества вокруг галактических центров. Вопреки ожиданиям и законам Кеплера (скорость вращения галактических объектов должна убывать в обратной пропорции к ­квадратному корню из расстояния до центра), у многих звёздных островов эта скорость оказалась почти постоянной, вне зависимости от удаления. Расчёты показали: феномен объясним, если предположить, что масса галактики на порядок больше, а распределение вещества совершенно нелогично,— плотность его не убывает при удалении от центра и остаётся почти неизменной, в отличие от видимого вещества звёзд и межзвёздного газа.

Подытожим всё, что мы знаем о тёмной материи. Во-первых, на её существование указывает очень много фактов. Во-вторых, она взаимодействует с гравитацией. В-третьих, её очень много (настолько, что она имеет вселенский масштаб влияния).

Скорее всего, состав тёмной материи неоднороден. Один из вероятных компонентов уже известен — это нейтрино, элементарная частица без заряда и, как полагали ранее, массы покоя. Они рождаются в огромных количествах при ядерных реакциях внутри звёзд и чрезвычайно слабо реагируют с каким бы то ни было веществом. Например, нейтрино свободно проходят сквозь Землю, не прореагировав ни с одним её атомом! Совсем недавно благодаря нейтринным детекторам SuperKamiokande (Япония) и SNO (Канада) была установлена масса этой частицы: она оказалась в несколько раз меньше массы электрона. Учитывая, что на один нуклон приходится миллиард нейтрино, можно предположить, что их общая масса — величина достаточно солидная. По предварительным оценкам, их доля в общем «пироге» невидимой массы вещества может достигать 3%.

Примерно столько же, вероятно, приходится на обычное вещество — барионную тёмную материю. Она может принимать обличье остывших звёзд с чрезвычайно низкой температурой поверхности (коричневых карликов), планетоидов или облаков горячего газа, излучающих только в рентгеновском диапазоне.

Главный кандидат на роль «остального» — WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), слабо взаимодействующие массивные частицы. Они ведут себя ещё более скрытно, чем нейтрино: обладая массой в десятки раз большей, чем привычные нам протоны-нейтроны, никак с ними не реагируют, предпочитая всем взаимодействиям гравитацию.

Обнаружить WIMP сложно (но о нейтрино говорили то же самое). Одна из предложенных методик поиска строится на гипотезе, что Земля в своём движении вместе с Солнцем по орбите вокруг центра Галактики продирается сквозь завесу этих частиц и отдельные, крайне немногочисленные экземпляры всё-таки взаимодействуют с обычными атомами. Представьте, что вы гуляете под дождём: если вы побежите, то «поймаете» больше капель. Точно такой же принцип лежит в основе предложенного эксперимента. Число столкновений должно меняться, так как скорость движения Земли сквозь WIMP-завесу будет разной в течение года. Эта скорость складывается из орбитальных скоростей Земли и Солнца, сообщили в 2008 году физики из итальянской лаборатории Гран-Сассо (подземный нейтринный детектор Macro LVD). Подтверждений, однако, не последовало, так что говорить об открытии WIMP преждевременно.

Другие учёные считают, что таинственные частицы миллиарды лет исправно улавливались массивными объектами — звёздами, планетами, галактиками — и концентрировались в ядрах этих структур. Там WIMP взаимодействуют друг с другом и порождают поток нейтрино (в случае звёзд — дополнительный, так как основной возникает в ходе внутриядерных реакций синтеза). Таким образом, сканируя нейтринные потоки из центров Земли, Солнца и Галактики, теоретически можно зафиксировать всплеск из небольших приядерных областей. Эту работу проделали несколько научных коллективов на подземных и подводных нейтринных детекторах: NT-200 (Байкал, Россия), AMANDA и IceCube (станция «Амундсен — Скотт», Южный полюс; США), уже упомянутые Гран-Сассо и SuperKamiokande. Пока что безрезультатно.

Далее физики обратились к ускорителям элементарных частиц, полагая, что, раз энергия эквивалентна массе (Е = mс2), то при столк­новениях высокоэнергетических частиц можно ожидать рождения пар других частиц и античастиц (в том числе WIMP), масса которых равна суммарной энергии участников столкновения. Но и ускорительные эксперименты не дали ожидаемых результатов.

И всё же хорошие новости есть: в феврале 2008 года сотрудники лаборатории Ферми, занятые в проекте CDMS (Cryogenic Dark Matter Search), заявили, что масса неуловимой частицы с вероятностью 90% превосходит массу протона в 60 раз, а её эффективное поперечное сечение (то есть вероятность взаимодействия с нуклоном) — всего 6,6×10–44 см2. Поиски основного компонента тёмной материи продолжаются, так что эпилог в истории Вселенной ещё предстоит написать.