Темная сторона: что скрывают 95% Вселенной
В последние дни о темной материи пишут особенно много и, как правило, не без склонности к сенсации. Business Insider (BI), например, сообщает, что в поисках темной материи, которые ведутся уже не один десяток лет, произошли тектонические сдвиги. А научно-популярный Quanta Magazine публикует интервью с астрофизиком Джеймсом Баллоком, предварив его сообщением, что ученый нашел в темной материи доселе неизвестные взаимодействия, похожие на те, что есть в видимой глазом «светлой» материи.
Правда, в научных работах, на которые ссылается BI, никаких радикальных открытий не наблюдается, а Баллок о своих исследованиях говорит, как и положено ученому, весьма сдержанно. Впрочем, это не делает темную материю менее интересной.
Борис Штерн, ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН и главный редактор «Троицкого варианта», рассказал Slon о неслучившейся сенсации, а также о том, как судьба Вселенной (и наша, в частности) зависит от того, что невозможно увидеть, но что представляет большую часть окружающей нас реальности.
Звезды, планеты и все прочее, что мы представляем себе, когда говорим о космосе, на самом деле составляют лишь очень небольшую часть Вселенной. Огромная ее часть, около 95%, – темная энергия и темная материя. Мы точно знаем, сколько их, где они и как они себя ведут. Мы только не знаем, что это такое.
Темная энергия распределена по всей Вселенной равномерно. Мы даже можем сказать, сколько она весит: около 1 грамма в кубе с ребром 40 тысяч км, то есть это очень тонкая субстанция. Которая тем не менее составляет большую часть – 68% – содержимого Вселенной.
Что такое темная энергия? Это может быть просто весящая пустота. То есть возможно, что вакуум имеет не нулевую энергию, а вот такую. Вообще, очень интересно, почему вакуум весит так мало? Это больной вопрос физики, потому что теоретически вакуум может весить сколько угодно, в том числе и невероятно много.
Впрочем, есть и другой вариант, что такое темная энергия. Возможно, это такое примитивное поле, которое характеризуется всего одной величиной (для сравнения: всем известное электромагнитное поле характеризуется четырьмя параметрами). От того, меняется это поле со временем или нет, зависит судьба Вселенной.
Если представить, что оно не меняется, то оно вообще неотличимо от вакуума. Тогда Вселенная так и будет постоянно расширяться, и через 20 млрд лет в далекой Вселенной наблюдать будет нечего, потому что все галактики разлетятся за горизонт, за которым мы ничего просто не сможем увидеть.
Но если величина этого поля потихоньку уменьшается, тогда это уже будет не просто темная энергия, а то, что физики называют «темная энергия – квинтэссенция». И в этом случае постепенно во Вселенной возникнет новая физика.
Теперь что касается темной материи, которая составляет около 27% массы Вселенной. Она вопреки названию не темная, у нее вообще нет ни цвета, ни других доступных нам качеств.
Более того, темная материя находится не где-то в далеком космосе, а вокруг нас, хоть в это и сложно поверить. Темная материя летает между нами запросто, она вокруг нас, просто она слишком слабо взаимодействует с нами, поэтому мы ее никак не ощущаем.
В таком случае откуда мы знаем, что она есть? По косвенным признакам. Физики давно заметили, что галактики вращаются гораздо быстрее, чем вращались бы, если бы состояли только из звезд и газа. Причем существенно быстрее. А если мы берем скопления галактик, то видим, что в них галактики движутся еще быстрее, то есть там больше чего-то не хватает, чем в отдельных галактиках.
Это значит, что там что-то есть, и есть в большом количестве, чего мы не учли. И это было первое, где понадобилась темная материя – недостающее звено, которого не хватало, чтобы объяснить реальность.
Если бы это было единственное, где нам не хватает черной материи, можно было бы подумать, что мы просто ошиблись и не учли какие-нибудь камни, которые летают в космосе.
Но темная материя также понадобилась в космологии, чтобы объяснить некоторые явления в истории Вселенной. Если бы не существовало темной материи, то эти самые галактики не только вращались бы медленнее, они, как оказалось, просто не смогли бы образоваться.
То есть в самом-самом начале, в первые десятки тысяч лет с момента Большого взрыва Вселенная уже не была однородна, в ней росли возмущения, которые можно представить себе как рябь. И вот чтобы эта рябь могла вырасти, нужно было какое-то вещество, которое очень слабо, почти совсем не взаимодействует с окружающим миром, только через гравитацию.
И благодаря тому, что она не взаимодействовала, она могла стекать в сгущения и там концентрироваться. Обычная не могла, потому что в ней есть здоровенное давление, которое мешает ей комкаться. А темная – пожалуйста – могла комковаться. И именно благодаря этому в итоге смогли образоваться галактики.
И именно из ранней Вселенной мы можем точно измерить, сколько ее, – по реликтовому излучению. Тогда, вскоре после рождения, Вселенная была горячей, свет взаимодействовал с веществом, и в какой-то момент (если быть точным, 380 тысяч лет после рождения) Вселенная стала нейтральной, свет перестал взаимодействовать с веществом и с тех пор летает по прямой.
Телескоп – это машина времени. Если мы наблюдаем в него какую-то далекую галактику, свет от которой до нас шел 2 млрд лет, значит, мы ее наблюдаем сегодня такой, какой она была 2 млрд лет назад.
С помощью современных телескопов мы можем увидеть свет, который дошел до нас от еще более далеких галактик, а значит, из еще более далекого прошлого. По этому древнейшему излучению ученые смогли составить портрет ранней Вселенной.
Это реликтовое излучение появилось 13,8 млрд лет назад, сегодня дошло до нас с нашими телескопами, ученые сфотографировали его, и на этом детском снимке Вселенной мы видим пятнистость. Тогда, через 380 тысяч лет после Большого взрыва, протоны впервые соединились с электронами и из плазмы появился нейтральный газ, прозрачный для света. Так вот из этих пятен на детском снимке Вселенной можно вытащить абсолютно всю информацию о том, сколько есть обычной материи, сколько – темной материи и сколько – темной энергии.
Также вытаскивается тот факт, что Вселенная на самом деле огромна, по крайней мере в сто раз больше, чем мы можем увидеть до горизонта.
Итак, мы знаем все свойства и объем темной материи, но мы не знаем, из чего она состоит. Вариантов несколько, и самый популярный – что она очень тяжелая, в сотни раз тяжелее протонов, которые при этом ни с чем не взаимодействуют: ни с обычной материей, ни между собой.
Единственный вид взаимодействия, который ей доступен, – гравитация (именно благодаря этому мы ее и обнаружили). Это один вариант, который называется «холодная темная материя».
Второй вариант, что эти частицы значительно легче, – это такие легкие частицы, нейтрино, только стерильные нейтрино, которых мы не видим. В этом случае она уже была бы теплой, но все равно могла комковаться.
Ищут ее следы везде. И на всяких подземных детекторах, и в космосе. Считается, что все-таки они особым образом могут взаимодействовать с протонами, с малой вероятностью. Также считается, что темная материя может слабенько взаимодействовать сама с собой, то есть аннигилировать и испускать гамма-излучения.
Вот следы этого гамма-излучения ищут в космосе, и пока безуспешно. Три года назад был большой шум, что вроде как нашли следы этого гамма-излучения, но потом оказалось, что это ошибка. Поэтому вывод, что темная материя взаимодействует сама с собой и с обычной материей, мы делаем чисто теоретически, исходя из общей термодинамики Вселенной.
Снимок «Хаббла» двух скоплений галактик, пролетавших друг через друга. На снимок наложена карта рентгеновского телескопа «Чандра», которая показывает горячий космический газ (розовый цвет), и карта распределения массы (синий цвет). Если бы темной материи не было, то синий цвет (распределение массы) на этом снимке совпадал бы с розовым (распределение газа)
Новое исследование Джеймса Баллока из Калифорнийского университета в Ирвине – это как раз попытка объяснить простые явления более сложными и раскрыть некоторые свойства темной материи. Ученые предполагают: а что, если она сама с собой взаимодействует сильнее, чем с обычной материей; может, это поможет объяснить, почему она не хочет скапливаться в центрах галактик.
Но даже если темная материя взаимодействует сама с собой, то гораздо меньше, чем это делает обычная материя, из которой состоит наш привычный мир. Иначе если бы внутреннее взаимодействие темной материи было сильным, это не позволило бы на ранних стадиях образоваться Вселенной: у нее было бы давление, и тогда она бы не скомковалась и не сползла в гравитационные ямы, которые позже стали галактиками, звездами и всем прочим.
Баллок предлагает добавить такой параметр, как взаимодействие темной материи с самой собой, чтобы решить так называемую проблему каспов, то есть сгущений в центрах галактик. Дело в том, что по непонятным причинам в некоторых галактиках каспов нет. И чтобы решить эту проблему, авторы новой работы предлагают добавить в расчеты некую константу взаимодействия темной материи с самой собой – и это позволяет объяснить разрушение каспов.
Кстати, в статье журналист не уточняет, что речь идет о несильных взаимодействиях, потому что мы знаем, что сильных взаимодействий в темной материи быть не может. Поэтому у меня сначала создалось впечатление, что это ерунда. Потому что, как мы уже говорили, если бы в темной материи были взаимодействия, похожие на те, в которые вступают элементарные частицы, то галактики не смогли бы образоваться.
Впрочем, я здесь не специалист, но мои друзья-астрофизики говорят, что проблему каспов можно решить и другими построениями, без этого допущения. Так что главная проблема, которую ученым сегодня нужно решить, состоит вовсе не в описании этих возможных внутренних взаимодействий, а в том, чтобы в принципе найти эту самую темную энергию.
И ее поисками занимаются десятки научных организаций по всему миру, в том числе в России. Ее ищут и в лабораторных экспериментах, например у нас в Институте ядерных исследований, ее ищут в астрофизике, в наземных экспериментах, в подземных экспериментах. Вписать темную материю в нашу светлую физику – это и есть главный вызов науки.