Йостейн Рисер Кристиансен

Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

Перевод с норвежского Евгении Ивановой

Художественное оформление серии Ильи Викторова

Йостейн Рисер Кристиансен (Jostein Riiser Kristiansen, р. 1981) защитил докторскую степень по астрофизике в Университете Осло и в настоящий момент является доцентом в Университетском колледже губернии Осло и Акарсхус, где и занимается исследованием Вселенной, преподает физику и математику. В 2014 году студенты колледжа вручили Кристиансену награду «Преподаватель года».

Йостейн нередко участвует в различных проектах в качестве эксперта в области астрономии. Он также является одним из основателей научно-популярного блога kollokvium.no и соавтором учебника «Физика для учителей» (Gyldendal, 2011).

* * *

Для читателей, неравнодушных к загадкам природы

Астрономы любят темноту. Ночное темное небо — это наша лаборатория, наш объект исследования. Темная башня телескопа — это наше рабочее место. Любой искусственный свет мешает изучать слабое свечение космических тел. В эпоху химической фотографии — а многие еще помнят фотопленку и фотопластинки — мы работали в абсолютной темноте, на ощупь, чтобы не засветить чувствительную фотоэмульсию.

Очень любят астрономы темноту, но только если она не мешает, а помогает изучать небесные светила. Однако не всякая темнота помогает нам в этом. Темные облака космической пыли закрывают от нас многие уголки Галактики, оставляя их на долгие годы неисследованными. Луч света не проходит сквозь эти облака, и мы не видим, что находится за ними и внутри них. Поэтому такие черные пятна на звездном небе мы называем по-английски не black clouds (черные облака), a dark clouds (темные, загадочные, непонятные облака). Слово dark используется и в выражении dark side of the Moon, хотя все знают, что обратная сторона Луны вовсе не темнее видимой ее стороны, ведь на обеих бывают и день, и ночь. Но обратная сторона Луны веками оставалась загадочной, пока в 1959 году ее не сфотографировал наш космический зонд. В этот момент не стало одного из «темных» астрономических объектов, но вскоре ему на смену пришли другие.

В 1970-х стало окончательно ясно, что во Вселенной существует огромное количество вещества, обладающего гравитацией, но невидимого для телескопов любого типа — от рентгеновских до радио. Это невидимое вещество назвали по-английски dark matter. Оно до сих пор представляет загадку для ученых. Именно поэтому не black, a dark. По-русски мы называем его «темная материя», или «темное вещество», что точнее, поскольку материя — это все сущее, включая поля, а вещество — это частицы, которые можно остановить и взвесить. Армия физиков сейчас работает над тем, чтобы понять, что же такое это темное вещество. В книге об этом подробно рассказано.

Вторая и еще более загадочная сущность проявила себя в конце 1990-х, когда астрономы обнаружили, что наша Вселенная расширяется ускоренно. Источник этой расталкивающей антигравитационной силы назвали dark energy — «темная энергия». Природа этой энергии — наиболее серьезный вызов для современной физики, поскольку есть много теоретических идей, которые трудно пока проверить. А если вспомнить еще о черных дырах, с которыми тоже связано немало загадок, то можно сказать, что современные астрофизики в основном занимаются «темными делами».

Именно этим загадочным сущностям — темной материи и темной энергии — посвящена книга, которую вы взяли сейчас в руки. Советую вам не расставаться с ней, поскольку написана она профессионалом и предназначена для читателей, неравнодушных к загадкам природы. При этом от читателя не требуется глубоких знаний физики и астрономии — достаточно вспомнить кое-что из школьных курсов и с головой погрузиться в интересный рассказ о Вселенной.

В. Г. Сурдин, науч, редактор,

астроном, канд. физ. — мат. наук, доцент МГУ

Предисловие

Мне было, пожалуй, лет пятнадцать, и я только наткнулся на энциклопедию, в которой говорилось, что Солнце уже наполовину состарилось. Ему вроде бы пять миллиардов лет, а это половина жизненного цикла звезды. Через несколько дней я разглядывал ясное звездное небо. В тот момент наука впервые пошатнула веру в Бога. То было первое крупное осознание извне.

Цитата взята из книги бесед Альфа ван дер Хагена с Хьеллем Аскильдсеном. Читал я ее, как раз когда работал над последней частью моей первой книги. Я вдруг осознал, что размышления Аскильдсена под звездным небом, должно быть, характерны для многих. И речь совсем не о том, что людям свойственно отрекаться от веры, глядя на звезды, — для многих ситуация, скорее, обратная. Но думаю, среди нас немало тех, кого звездный небосвод заставляет задаваться экзистенциальными вопросами. Вселенная и мысли о том, что скрывается где-то в космосе, обостряют наше понимание природы и реальности. Захватывающие изображения огромных межзвездных туманностей, размышления о существовании жизни на других планетах, черные дыры и темная материя — все это оседает глубоко в нас и сразу же завораживает. Не раз я обращал внимание на то, как бесконечные клики удерживают новости астрономии на верхних строчках новостных интернет-ресурсов. Есть хоть одна другая ветвь науки, способная похвастаться такой же всеобщей заинтересованностью?

А за могущественной видимой Вселенной, которая ночами окутывает нас, скрывается нечто иное и гораздо более впечатляющее. Ведь большинство астрономов сегодня считает, что 95 процентов содержимого Вселенной невидимо. Все наблюдаемое нами в повседневной жизни и на красивых картинках с телескопа «Хаббл» составляет, вероятно, лишь пять процентов от того, что скрывается в космосе. Остальное же — темная материя и энергия, та часть реальности, которую мы только-только начали понимать. Именно этим 95 процентам невидимой Вселенной и посвящена эта книга.

Несомненно, 95 процентов Вселенной — тема серьезная. Но это далеко не учебник, и у меня не было цели охватить все технические детали и подробности наших знаний о невидимом космосе. Вместо этого я попытался уделить достаточно времени объяснению некоторых наиболее важных концепций. Моя целевая аудитория — читатели без предварительной подготовки, которым любопытна Вселенная, люди, забывшие многое из школьной программы естествознания и физики. А еще я надеюсь, что и учителям эта книга принесет пользу и удовольствие. Вселенная — это та тема, которой отводится порядочная часть школьной учебной программы, и наши знания о ней значительно расширились за последнюю пару десятилетий.

Я постарался сделать изложение материала не слишком тяжелым и недоступным. Значительная часть работы над книгой заключалась в избавлении от излишней информации. Моей целью было сохранить равновесие между базовой физикой и рассказами о людях, стоящих за историей и будущим астрономии. Как правило, в учебниках сперва приводится основная теория.

Я попробовал вести повествование о невидимой Вселенной в обратном порядке: сначала мы познакомимся со Вселенной и наблюдениями за ней. И поэтому я надеюсь, что, когда дело дойдет до разъяснения физических механизмов, на которых все основывается, вам хватит мотивации.

Книга намеренно написана неформальным языком. В некоторых случаях повседневное значение слова не совпадает с его научным значением. Тут я склонялся к первому варианту. Возьмем, например, слово «теория». В науке теория — это тщательно проверенное объяснение того, как устроена природа. Говоря о теории, в повседневной речи мы часто имеем в виду предположительное объяснение, которое может быть правдой, — то же самое, что в науке часто называют гипотезой. В книге я могу использовать слово «теория» в отношении того, что является лишь гипотезой просто потому, что «теория» — более привычное слово.

При популяризации науки приходится постоянно искать компромисс между по-научному точным и не слишком нудным объяснениями. Во многих случаях некоторые чересчур сложные детали я опускаю. Тем не менее я уделяю большое внимание научной точности написанного. Я потратил много времени на ознакомление с профессиональными статьями — как старыми, так и новыми, чтобы подвести под свои слова прочный фундамент.

Ссылки и комментарии я решил собрать в общей системе заметок: хочу, чтобы текст выглядел целостным для тех, кто не хочет копаться во всех тонкостях. Когда я обращаюсь к примечанию в связи с конкретным результатом исследования, то почти всегда привожу ссылку на профессиональную статью, требующую солидных предварительных знаний. В иных же случаях я ссылаюсь на примечания в более общей части текста. Затем примечание часто содержит уточнение или ссылку на более доступный, популярный текст по теме. Когда я указываю URL-адреса, то это почти всегда тексты, которые можно бесплатно почитать в интернете.

Настало время для благодарностей. Эта книга вряд ли увидела бы свет без финансирования Норвежской ассоциацией писателей и переводчиков документальной прозы. Спасибо вам за поощрение популяризации науки. Огромное спасибо моему брату Ларсу Бьерке, а еще Эллен Метте Бернтсен и Тронду Эйднесу за неоценимый вклад в первые наброски сценария. Вы сделали эту книгу лучше. Спасибо Николасу Гренебуму за нелишнюю помощь и глупые шутки. Бару Polar за помощь в организации приятных перерывов. Редактор Кристин Лиллетведт Стрем и профессиональный консультант Ойстейн Элгарой внесли немало полезных комментариев и исправлений. За все оставшиеся в книге ошибки несу ответственность исключительно я.

Теперь полагается сказать, что работа над книгой не мешала моей семье. Но это было бы ложью. Большое спасибо за вашу поддержку и огромное терпение! Я люблю вас.

1. Большая невидимая вселенная

Стоя в темноте, я вижу свет на расстоянии.

Так холодно, что жду тепла от звезд мерцания.

Ян Тейген. Оптимист

Поздняя осень, ясная погода, ночь. Вы высоко в горах. Назойливые огни города слишком далеко, а Луну не видно за горизонтом. Свет исходит лишь от звезд над вами — нескольких тысяч крошечных светящихся точек. Их свет слишком слабенький — даже зубную щетку не разглядеть, и кажется, что слова Яна Тейгена о тепле звезд на самом деле бессмысленны. Но не дайте этому скромному свету вас обмануть. Вы ведь знаете, что эти точки — далекие солнца, а многие из них еще и гораздо больше нашего. Да и Солнце совсем не маленькое: в него поместился бы миллион таких планет, как Земля, а его поверхность раскалена до нескольких тысяч градусов.

На востоке низко над горизонтом вы заметите созвездие Орион. Звезда на плече Ориона — Бетельгейзе — выделяется ярким красным свечением. Звезды типа Бетельгейзе называются красными сверхгигантами. Она настолько огромна, что вместила бы три миллиарда наших солнц. Но, несмотря на невероятные размеры, из-за большого расстояния не стоит ждать от Бетельгейзе тепла.

За Бетельгейзе и другими звездами можно разглядеть белую туманную полосу, растянувшуюся по небу, — Млечный Путь.

Все звезды, которые мы видим по ночам, — это часть Млечного Пути. Наибольшие скопления звезд располагаются ближе к центру галактического диска (позже мы поговорим об этом подробнее). Со стороны это похоже на светящуюся полосу на небе. Эта фотография Млечного Пути была сделана с вершины острова Пальма (архипелаг Канарские острова), из точки, расположенной неподалеку от Северного оптического телескопа.

Если хорошенько вглядеться, то заметно, что эта полоса тоже состоит из мириад звезд, которые так слабо светят и расположены настолько близко друг к другу, что их невозможно различить невооруженным взглядом. Мы и все одиночные звезды, видимые нам, — это часть Млечного Пути.

Во Вселенной много других галактик. Очень много. В каждой галактике мириады звезд. Тут трудно не восхититься — и вот вы уже занимаете свое место в ряду восхищенных наблюдателей за звездами, а начало этой вереницы было положено еще при зарождении человечества. Если не раньше. Но вы, в отличие от ваших любующихся звездами предшественников, живете во время, когда мы действительно начали понимать, на что смотрим: размеры, движение и хронологические рамки постепенно встают на свое место. К тому же в последние десятилетия наши знания о Вселенной значительно расширились.

Тем не менее головоломка Вселенной содержит в себе множество вопросительных знаков. Наверное, два самых важных неотвеченных вопроса — это что скрывается за причудливыми субстанциями, которые мы называем «темная энергия» и «темная материя». Мы полагаем, что Вселенная на 95 процентов состоит из них. И в то же время никто сегодня не способен ответить, чем же являются эти неведомые, даже забавные составляющие. Но что-то мы все же знаем. Например, что как темная материя, так и темная энергия незримы. Свет они не излучают и не отражают, оставаясь прозрачными, будто только что помытое окно. А еще их во Вселенной огромное количество. Возникает все больше вопросов. Если темная энергия и темная материя незримы, откуда мы вообще знаем, что они существуют? И в таком случае где они? А на Земле есть темная материя и темная энергия? И что же такое на самом деле темная материя и темная энергия?

Может, вы уже настроены недоверчиво? На это у вас имеются все основания. Утверждать существование невидимого вещества с научно-фантастичным названием — заявление смелое. А смелые заявления требуют надежных доказательств.

(Фраза Extraordinary claims require extraordinary evidence стала известна благодаря астроному и популяризатору Карлу Сагану, но, вероятно, первоначально ее сказал социолог и скептик Марсело Труцци.)

В этой книге мы обсудим, почему темная материя и темная энергия необходимы для понимания Вселенной, в которой мы живем, и почему их должно быть настолько много. Мы также попробуем понять, чем являются темная материя и темная энергия. И хотя пока мы не знаем, что такое темная материя и темная энергия, нам известно многое о возможных свойствах этих субстанций. Это дает нам возможность спекулировать, фантазировать и выдвигать обоснованные фактами догадки. Более того, мы посмотрим, каким образом в ближайшие годы нам все же может стать известно больше о природе темной материи и энергии. В погоне за ними мы отправимся в путешествие по Вселенной, за пределы Солнечной системы и нашей Галактики. А еще вернемся в прошлое, к самому рождению Вселенной. И обратно. Мы погрузимся в микроскопический квантовый мир. Поближе познакомимся с силой тяжести, светом, физической составляющей невидимости, взрывающимися звездами-гигантами, сталкивающимися галактическими комками, сверхчувствительными детекторами в глубоких шахтах, гениальными учеными, сферическими ублюдками и судьбой Вселенной. И все это — в попытке понять огромную Вселенную, которая смотрит на нас холодными осенними ночами.

1.1. Невидимые яблоки Ньютона

Начнем с небольшого вступления, посвященного понятиям темной материи и темной энергии. Для этого мы прокрадемся в английский яблоневый сад одного из величайших физиков в истории.

Вы узнаете его по парику-облаку с завитками, белым чулкам и одержимости алхимией и мистицизмом. Но прежде всего британец Исаак Ньютон (1642–1727) был величайшим на свете математиком и физиком. Он, например, открыл закон всемирного тяготения, согласно которому сила, притягивающая нас к Земле, — это та же сила, что заставляет Луну обращаться вокруг Земли, а Землю — вокруг Солнца. Сила тяжести играет ключевую роль в охоте на темную материю и темную энергию.

Вы же слышали историю про Ньютона и яблоко? Про то, как сила тяжести сама открылась ученому, когда тот сидел под деревом и яблоко упало ему на голову? Этот миф, конечно, слишком хорош, красив и прост, чтобы быть правдой. Но Исаак Ньютон, несомненно, проводил много времени в яблоневом саду, да и сам, можно сказать, всячески поддерживал эту версию. Друг Ньютона и его первый биограф Уильям Стьюкли впоследствии так описывает одну из встреч с ученым: «…Мы прогуливались в саду и пили чай в тени яблони, только он и я. Он упомянул, что в такой же обстановке задумался и о понятии гравитации. „Почему яблоки всегда падают перпендикулярно земле?“ — пришло ему как-то в голову, когда прямо перед ним упало яблоко».

Здесь Ньютон сам упоминает яблоко, хотя на голову ему ничего не падало, разве что в переносном смысле. С яблоком или без, Ньютон обращает внимание на важную характеристику яблок или любой другой материи: они падают вниз — прямо вниз. Но почему? Вот что рассказывает Стьюкли: «…наверняка их притягивает Земля. Должно быть, в материи есть какая-то притягивающая сила». Таким образом, если материя притягивает материю, то это должно быть пропорционально множеству. Следовательно, яблоко притягивается к Земле так же, как Земля притягивается к яблоку. Земля притягивает яблоко, а яблоко — Землю. Чем больше масса, тем сильнее притяжение. Впрочем, проведем сначала небольшой мысленный эксперимент. Представим, что яблоко состояло из темной материи. Что бы тогда увидел Ньютон?

Ну, во-первых, яблоко из темной материи было бы невидимым. Ну ладно, представим ради эксперимента, что Ньютон вытащил из белых кудрей своего парика волшебные очки от невидимости. Что бы он увидел? Уж точно ничего похожего на яблоко. Обычное яблоко связывает в себе атомы и молекулы, они составляют его, склеиваются друг с другом, образуя форму яблока. У темной материи формы нет. Если бы нам удалось создать комок темной материи, как яблоко, например, то это яблоко сразу же потеряло бы форму из-за разлетающихся, разбегающихся, как школьники в парке развлечений, частиц. Странное дело, да.

Но что, если нам все же удалось бы сохранить форму яблока из темной материи? Что произошло бы? Яблоко бы упало на землю благодаря силе тяжести точно так же, как и обычное яблоко! Так что, хотя темная материя невидима и у нее нет формы, это все же материя, а значит, у нее есть масса и она сколько-то да весит. И если темная материя сколько-то да весит, она может притягивать другую материю и притягиваться сама, следуя все тому же закону всемирного тяготения, что и обычные яблоки.

Таким образом, яблоко из темной материи упадет на землю. Наш друг Ньютон в белых чулках и волшебных очках от невидимости наблюдает, ничуть не удивляясь, как падает яблоко. А потом ученого ждет сюрприз: достигнув земли, яблоко не останавливается, в отличие от обычного, а продолжает стремиться вниз, к центру Земли. Озадаченный ученый долго сидит и почесывает одетую в парик голову. Но вот через полтора часа после исчезновения яблоко появляется снова.

(Согласно последним данным, это происходит примерно через 70 минут. Примечание научного редактора.)

Оно выпрыгивает в воздух из земли. Однако сила тяжести затормаживает яблоко, и вскоре оно поворачивает обратно к земле. И таким образом яблоко из темной материи продолжает с определенной периодичностью исчезать и появляться перед Ньютоном. Каждый раз перед тем, как выскочить из-под земли в саду Ньютона, оно доходит до центра Земли и выныривает с другой стороны.

Ньютон в очках от невидимости с удивлением наблюдает, как яблоко из темной материи возвращается обратно, совершив путешествие сквозь Землю.

Этот эксперимент иллюстрирует ключевые характеристики темной материи:

Темная материя невидима.

Темная материя не имеет формы.

У темной материи есть масса, и благодаря силе тяжести темная материя подвергается такому же влиянию, как и обычная материя.

Темная материя не сталкивается ни с обычной материей, ни с другими темными материями. И этого невидимого, неосязаемого вещества во Вселенной очень много. Так много, что на каждый килограмм обычной материи приходится пять килограммов темной материи. Однако видимая и темная материя вместе составляют лишь 30 процентов нашей Вселенной: пять процентов — обычная материя и 25 процентов — темная материя. Остальные 70 процентов составляет то, что мы называем темной энергией. Что же это такое?

Содержание Вселенной. Все, что мы видим, относится к узкому кусочку пирога с обычной материей.

Мы возвращаемся назад в яблоневый сад, но пусть на этот раз яблоко состоит из темной энергии. Что произойдет тогда? Яблоко опять было бы невидимым, и, подобно яблоку из темной материи, яблоко из темной энергии не имело бы формы и не сталкивалось бы с обычной материей. А вот что с силой тяжести? Упало бы яблоко из темной энергии вниз так же, как яблоко из темной материи? Нет. Яблоко бы упало, но вверх.

Для темной энергии характерна отталкивающая гравитация. То, что гравитация может быть как отталкивающей, так и притягивающей, — факт не очень широко известный. Большинство из нас видели, как, в зависимости от положения, притягиваются или отталкиваются друг от друга два магнита. Но отталкивающая гравитация — это совсем не то, что мы наблюдаем в обычной жизни. Тем не менее большинство астрономов считают, что 70 процентов нашей Вселенной состоит из отталкивающей темной энергии.

Тогда откуда же мы о ней знаем? Вселенная — это то место, где расширяются темная материя и темная энергия. И перед тем, как узнать о них больше, стоит устроить экскурсию по Вселенной, понять, как она образовалась, и составить представление о ее размерах.

1.2. Небесная иерархия

У большинства из нас имеются представления о размерах Земли. Поездка от Осло до Тронхейма на машине занимает примерно семь часов, и такое расстояние составляет где-то одну сотую от длины экватора Земли. Таким образом, путешествие вокруг Земли с такой же скоростью займет месяц без остановок. А до Луны — почти год. То есть время в пути до нашего ближайшего астрономического соседа примерно равно затянувшемуся отпуску и неторопливому путешествию на машине.

А вот до Солнца, к примеру, на машине добраться сложнее, даже если в нашем распоряжении будет целая человеческая жизнь: при такой скорости нам понадобится больше 200 лет. Чтобы получить представление о расстояниях, мы создадим модель, в которой мы и Солнечная система уменьшимся в 10 миллиардов раз.

В такой модели диаметр Земли будет немного больше миллиметра — размером с песчинку. Эта песчинка находится в 15 метрах от Солнца. А Солнце со своими значительными 14 сантиметрами в диаметре будет размером с кокосовый орех. И вот мы вращаемся на песчинке в 15 метрах от кокосового ореха. Между нами и Солнцем есть еще две песчинки: Венера и Меркурий. А помимо этого — пустота.

Солнечная система на Земле не заканчивается. Самая большая планета, Юпитер, превратится в нашей модели в маленький фундук диаметром 1,4 сантиметра, расположенный на расстоянии 78 метров от Солнца — кокосового ореха. Самая крайняя планета, Нептун, станет горошиной примерно в полукилометре от Солнца, далеко, очень далеко от песчинки — Земли. Если нам захочется добраться до Нептуна, то поездка на машине с прежней скоростью теперь займет больше 9000 лет.

Ближайшая к Солнцу звезда — Проксима Кентавра. Она немного меньше Солнца, и если Солнце — это кокосовый орех в Осло, то Проксиму Кентавра можно сравнить с грецким орехом в Сахаре. На таких расстояниях и рассредоточены звезды: кокосовый орех в Осло, грецкий орех в Сахаре, парочка манго в Судане, мандарин в Китае и так далее. Мы знаем, что у многих звезд есть свои планеты-песчинки, обращающиеся на расстоянии нескольких метров. Но в остальном — пустота.

Несмотря на эти астрономические расстояния между одиночными звездами, все звезды на ночном небе — часть нашей Галактики, то есть Млечного Пути. Если вы хорошо видите в темноте и у вас имеется темное местечко для наблюдений, то вы увидите примерно 5000 звезд, что ничтожно мало по сравнению с их общим количеством в Млечном Пути. В целом считается, что наша Галактика состоит из 300 миллиардов звезд. Звезд так же много, как сахаринок в 60 тоннах сахара. Звезды в Млечном Пути вращаются в галактическом диске, который сохраняет свою форму благодаря силе тяжести. Если учесть, что звезды достаточно многочисленны и, как мы убедились, располагаются на достаточно большом расстоянии друг от друга, то масштабы Млечного Пути вполне можно осмыслить. В нашей модели с Солнцем — кокосовым орехом в Осло и песчинкой — Землей в 15 метрах от него мы можем представить, что один конец Млечного Пути находится у кокосового ореха. Тогда уменьшенная в 10 миллиардов раз Галактика растянется на половину реального расстояния от Земли до Солнца. Огромное расстояние, хотя мы его и уменьшили.

Млечный Путь, в свою очередь, — лишь одна из непостижимого множества галактик. В той части Вселенной, которую мы имеем возможность изучать, насчитывается примерно столько же галактик, сколько звезд в Млечном Пути. Эти галактики распределены в пространстве не равномерно, а собраны в структуры, называемые группами и скоплениями галактик. Группы из скоплений галактик называются сверхскоплениями, а сами сверхскопления тоже образуют структуры, они имеют тенденцию к сбору в большие галактические нити, называемые «великие стены».

В той части Вселенной, за которой мы можем наблюдать, находится очень много сверхскоплений галактик. Одно из них — сверхскопление Девы. Оно содержит в себе десятки тысяч галактик. Одна из этих галактик — Млечный Путь — вращающийся диск с несколькими сотнями миллиардов звезд. И вокруг одного довольно обычного представителя этих звезд, Солнца, обращается небольшая планета-песчинка. На этой планете сидим мы и разглядываем Вселенную — сцену, где расширяются темная материя и темная энергия.

И что же мы видим с нашей планеты-песчинки? Как я уже упоминал, 70 процентов Вселенной составляет темная энергия, а 25 — темная материя. Пока что мы ненадолго оставим темную энергию и ее невероятную отталкивающую гравитацию и более интенсивно поищем темную материю. А заодно получше познакомимся с нашей Вселенной и законами физики, которые всё и связывают. Так мы подготовимся к тому, чтобы связать воедино нашу картину Вселенной с темной энергий во второй части книги.

2. Темная материя

Астрономы напали на след темной материи еще в 1930-х годах. Но большинство считало гипотезу о существовании большого количества невидимой материи притянутой за уши, и серьезно относиться к темной материи начали лишь спустя много лет, когда новые телескопы и техника произвели революцию в наших наблюдениях за Вселенной. И мало-помалу стало очевидно, что темную материю стоит взять на вооружение, хотя астрономы и сейчас не в восторге от идеи о том, что во Вселенной существует огромное количество невидимого вещества.

В этой главе мы разгадаем головоломку о том, как темная материя все-таки проникла в нашу стандартную картину Вселенной, и посмотрим, почему сейчас так сложно отрицать ее существование. Мы начнем с относительно недавних событий, когда в 2006 году столкновение скоплений галактик изящно разоблачило темную материю.

2.1. Когда скопления галактик сталкиваются

Скопление галактик Нуля (Bullet Cluster) иллюстрирует столкновение двух скоплений галактик. Розовые участки показывают рентгеновское излучение от обычной материи. Синие участки показывают распределение массы, основываясь на гравитационном линзировании галактик.

Эта фотография была сделана в 2006 году, и с тех самых пор астрономы на нее почти молятся.

(Изображение основано на данных из следующей революционной статьи, где впервые вычисляется распределение массы на основе гравитационного линзирования: «А Direct Empirical Proof of the Existence of Dark Matter».)

В этих синих и розовых точках раскрывается то, что мы по большей части и считаем темной материей. Что же вы видим на этом изображении?

В центре моментального снимка одна из жесточайших встреч в космосе: столкновение двух скоплений галактик, которое продолжалось в течение сотен миллионов лет. Изображенное здесь столкновение известно под названием Пуля (англ. Bullet Cluster) из-за похожего на пулю образования справа.

Скопление галактик — это, как мы уже поняли, система связанных друг с другом галактик. Галактики в скоплении притягивают друг друга благодаря силе тяжести, поэтому скопления, как и планеты Солнечной системы, остаются на месте и не разлетаются. Галактики кружатся друг вокруг друга, как комары над рыбаком, и, подобно тому, как рой комаров перемещается от одного рыбака к другому, скопления галактик двигаются в космическом пространстве. Иногда эти космические рои комаров сталкиваются. В случае со скоплением галактик Пуля два скопления сталкиваются со скоростью 2500 км/с — это все равно, что за секунду переместиться из Франции в Норвегию.

Что происходит во время таких столкновений? И зависит ли это от того, из чего они состоят? Помните то обычное видимое яблоко Ньютона? Ученого больше всего занимало, что происходило с яблоком, пока оно находилось в воздухе, а сила тяжести тянула его вниз. Но, наверно, самое захватывающее происходит, когда яблоко с глухим стуком ударяется о землю и останавливается. Оно сталкивается с землей, и, несмотря на то что сила тяжести продолжает воздействовать на яблоко, фрукт неподвижно лежит на траве. Это происходит, потому что яблоко состоит из обычной материи. Если мы заменим обычное яблоко на яблоко из темной материи, оно пройдет сквозь земной шар без столкновения.

То же самое происходит и когда сталкиваются скопления галактик. Если скопления состоят из обычной материи, то они сталкиваются и замедляют движение друг друга. А вот если скопления состоят из темной материи, то они беспрепятственно проходят сквозь друг друга, прямо как яблоко из темной материи беспрепятственно прошло сквозь Землю. Это теория. А сравнить с реальностью можно благодаря скоплению Пуля.

Если мы направим большой телескоп на скопление Пуля, то увидим желтые звезды и галактики, показанные на рисунке. Однако больших розовых и синих точек мы не увидим. Эти цвета были наложены на изображение позже. Что же нам показывают розовые и синие пятна?

Начнем с розовой части. Розовые точки отображают рентгеновские излучения, замеченные благодаря космическому телескопу «Чандра». Рентгеновское излучение — это еще один тип сверхсильного излучения, которое образуется во время мощных столкновений. Скопления галактик, помимо непосредственно галактик, содержат большое количество межгалактического газа. В скоплении галактик Пуля рентгеновское излучение образуется, когда два скопления встречаются и сталкиваются. Розовые точки также свидетельствуют о столкнувшихся газах. Темная материя не сталкивается, поэтому розовый цвет показывает нам лишь следы обычной видимой материи в скоплении галактик.

В скоплении галактик Пуля сталкиваются два скопления разных размеров. Меньшее скопление слева — небольшие, заостренные точки правее от середины — уже влилось в значительную часть более крупного скопления. Заостренные формы можно сравнить с волнами, которые образуются вокруг носа лодки, врезающейся в воду, с одним лишь отличием — волны от маленького скопления галактик будут протягиваться на много сотен тысяч световых лет. Световой год — это обозначение расстояния, которое свет может преодолеть за год, и если учесть, что свет двигается настолько быстро, что за секунду может обогнуть Землю более семи раз, то световой год — это весьма большое расстояние, не говоря уже о сотне тысяч световых лет, что является протяженностью маленького скопления галактик.

Пока все сходится. Два скопления галактик встречаются, газы сталкиваются и испускают рентгеновское излучение, которое ясно показывает, насколько большие были скорости и размеры. Розовые области отображают обычную сталкивающуюся материю.

Но что такое синие точки? Синие участки показывают, где находится большая часть материи — как видимой, так и невидимой. Таким образом, синие точки представляют собой карту массы Пули, в то время как розовые точки показывают видимое вещество в форме сталкивающегося газа. По краям синих точек заметно больше, чем розовых. Или, иначе говоря, основная часть материи в скоплении галактик Пуля находится вовсе не в месте скопления видимого газа. Как же это объяснить?

Давайте представим, что два сталкивающихся скопления галактик состоят из двух частей: одна часть из обычной сталкивающейся материи, а другая — гораздо массивнее — из несталки- вающейся темной материи. Что случится, когда два скопления обрушатся друг на друга? Да, во время столкновения обычная материя столкнется и сильно замедлится. А темная материя не сталкивается и пройдет без изменений через столкновение. И именно это нам и показывают синие точки. Розовые области демонстрируют сталкивающуюся обычную материю, в то время как синий цвет указывает на части скопления галактик, которые не столкнулись, то есть темную материю.

Но как же «увидеть» невидимую материю? Как нам удалось нарисовать синие точки? Секрет заключается в технике с красивым названием — гравитационное линзирование. Солянка из космических линз.

Гравитационное линзирование. Все просто: гравитация, или сила тяжести, может использоваться как космическая суперлинза. Каким образом?

Мы привыкли к тому, что сила тяжести меняет маршрут материи. Если вы пнете футбольный мяч и он полетит под углом вверх, то сила тяжести рано или поздно изменит траекторию мяча так, что он повернется и упадет на землю. Изменения в направлении света для нас также не новость. Например, мы используем стеклянные линзы для создания очков, увеличительных луп и микроскопов. Но сила тяжести абсолютно так же влияет на траекторию света. Это явление впервые описано Эйнштейном в начале XX века в рамках теории относительности и с тех пор изучено в ряде экспериментов.

Немногие — скорее, вообще никто — замечают игру гравитационной линзы со зрительным восприятием по дороге на работу или обратно. Причина этому достаточно простая: явление совершенно незаметно, если только мы не наблюдаем за огромными расстояниями и мощной силой тяжести. Если мы, например, переключим внимание с Земли на скопления галактик и большое количество материи, то увидим как невероятные расстояния, так и большое количество материи, которые, в свою очередь, создают сильнейшую гравитацию. Тогда и можно наблюдать гравитационное линзирование.

Вы когда-нибудь смотрели на свечу сквозь основание ножки винного бокала? Помните же, как причудливо изгибается и искажается пламя. Пламя искажается, а степень искажения зависит от формы ножки. Искажение пламени свечи в этом случае очень напоминает искажение света в гравитационной линзе.

Скопление галактик в этом случае заменяет ножку бокала. Отдаленные галактики за скоплением галактик выступают в качестве свечи. Форма далеких галактик будет искажаться при прохождении света через скопление галактик. Из-за этого искажения свет принимает дугообразные и округлые формы, а галактики видно одновременно в нескольких местах на небе. Чем больше материи в скоплении галактик, тем сильнее действует сила тяжести и тем сильнее будет искажено изображение отдаленных галактик. Изучая форму далеких галактик, видимых через разные части скопления галактик, мы можем таким образом создать карту распределения вещества в скоплении галактик. На этой карте будет также отражена и темная материя, поскольку она создает гравитационную силу.

Скопление галактик Abell 2218 — красивый пример гравитационного линзирования. Длинные дуги — это свет от лежащих позади галактик, сгибаемый гравитацией Abell 2218.

На этом снимке изображено скопление галактик Abell 2218 — одна из самых красивых из известных нам систем гравитационных линз. Все тонкие арки, которые вы видите на картинке, представляют собой далекие галактики, где свет был повернут силами гравитации. Когда смотришь на скопление галактик на заднем плане, то благодаря гравитационным силам ощущение такое, будто разглядываешь празднично освещенную рождественскую елку через бокал красного вина. То, насколько изгибаются отдаленные галактики, позволяет определить количество вещества в скоплении.

И хотя скопление Пуля не может предоставить такие же арки их линз, как Abell 2218, мы все же в состоянии найти достаточно искаженных галактик, чтобы определить, сколько вещества находится в разных местах скопления. Именно это и стало основанием для синих пятен, выявляющих темную материю.

Доказывает ли скопление Пуля существование темной материи?

Гравитационное линзирование — очень мощный инструмент, позволяющий примерно рассчитать массу скопления галактик. Уникальная особенность скопления галактик Пуля — это мощное столкновение, которое разделило обычную и темную материю так, что они находятся в разных местах.

Было бы тяжело наблюдать за Пулей без упоминания темной материи. Рассуждения соблазнительно просты — так и тянет сразу сказать, что это скопление галактик дает нам неоспоримое доказательство существования темной материи.

На самом деле все наши рассуждения очень упрощены. Я писал, что газ в скоплении галактик сталкивается и останавливается в области столкновения. Но скопления галактик состоят не только из газа, а как минимум еще и из бесчисленных галактик с миллиардами звезд. Какова вероятность того, что при этом столкнутся две галактики? А если они столкнутся, то что? Мы уже поняли, какое расстояние между звездами в нашей галактике: кокос в Осло, грецкий орех в Сахаре и так далее. Следовательно, при столкновении галактик звезды расположатся на безопасном расстоянии друг от друга. На звезды и галактики действительно будут взаимно влиять гравитационные силы, и поэтому они начнут двигаться в новых направлениях и с новыми скоростями, однако никакого космического фейерверка не произойдет.

Возможно, галактики и звезды из двух скоплений проходят друг через друга и создают синие поля. Тогда при чем здесь темная материя? К сожалению, не все так просто. Если принять во внимание, что скопления галактик состоят из огромного количества звезд, сложно толковать изображение Пули без темной материи.

Но все же стоит помнить, что скопление галактик Пуля, несмотря на столь умно расположенные розовые и синие точки, не предоставляет нам никакого окончательного и достоверного доказательства существования темной материи. Ведь, как уже говорилось ранее, чтобы утверждать существование огромного количества необычной темной материи, нужно необычайно надежное доказательство. Недостаточно просто посмотреть на одно или парочку столкновений галактик: темную материю, скорее, стоит искать во множестве мест и при помощи множества наблюдательных техник. И уже впоследствии исключить возможность всех альтернативных объяснений. Например, саму темную материю мы не видим, а только ее воздействие на силу тяжести. Может, ошибается наш закон всемирного тяготения? И если темная материя существует, не должен ли он ее объяснять? Темная материя тоже состоит из маленьких частиц, как и все известные нам материи? И что же это тогда за частицы?

Вопросов много, а Пуля — лишь маленький кусочек пазла о темной материи, к которому на протяжении этой книги мы добавим еще немало других кусков.

Осознав, насколько необъяснимо огромное количество темной материи находится во Вселенной, начинаешь задумываться: а что мы вообще знаем про обычную, объяснимую материю? Как можно с уверенностью говорить о веществе, из которого состоят звезды и галактики, если они находятся за пределами нашего осязания?

2.2. Старый кофе и французская философия

Утро. Вы сонно исследуете кухню в поисках завтрака. Но странный предмет на кухонном столе между хлебными крошками и недочитанными газетами привлекает ваш взгляд — белая чашка. В ней можно различить мистическую жидкую черную субстанцию. «Кофе!» — радуетесь вы. Но в голову вам тут же закрадываются сомнения. Как узнать наверняка, что перед вами именно кофе? А если это соевый соус? Или старое машинное масло? Конечно, можно понюхать или попробовать субстанцию, но опыт подсказывает, что ваши ощущения в такую рань могут и подвести. Поэтому вы скорее отправите чашку своей подруге-химику и попросите провести тщательный анализ темной жидкости. В лаборатории подруга-химик серьезно подходит к просьбе. Она измеряет pH, температуру плавления и кипел кристаллизирует, хроматографирует, делает масс-спектрометрический анализ или что там еще делают химики. Вывод однозначен: в чашке кофе арабика темной обжарки с чайной ложкой сахара.

Выяснить, из какого вещества сделаны различные предметы, вполне реально. Однако предварительным условием для анализа кофе было то, что кофейная чашка здесь, на Земле, доступна для измерений и анализа. А как насчет предметов, находящихся в космосе, далеко за пределами досягаемости даже самого амбициозного аэрокосмического сценария? Как тогда понять, из чего состоят объекты?

Этот вопрос уже поднимался французским философом Огюстом Контом (1798–1857) в 1835 году. В своем главном научном труде, «Курсе позитивной философии», писал о звездах: «Мы осознаем возможность определения их строения, размеров, расстояний и движений; но мы никогда не сможем каким бы то ни было образом исследовать их химический состав…».

И, будучи философом, он не стремился к потенциальным техническим трудностям при определении химии небесных тел: он считал эту задачу принципиально невыполнимой Однако еще в 1814 году, до того, как Конт записал эти слова, немецкий оптик Йозеф Фраунгофер (1787–1826) разработал первый точный спектроскоп, инструмент, который через несколько лет докажет, что Конт ошибался.

2.3. Вещество и его далекие отпечатки пальцев

На свет можно смотреть как на волны, а если быть точнее, то свет — это одна из форм того, что мы называем электромагнитными волнами. Как и большинство волн, световые волны могут иметь различную длину. Эти различные длины отвечают за разные цвета. Самые длинные из доступных нашему глазу электромагнитных волн мы воспринимаем как красный цвет, а самые короткие — как синий или фиолетовый. Все остальные цвета радуги располагаются между ними.

Белый цвет, который излучают Солнце и другие звезды, — это смесь всех существующих цветов. Эти цвета становятся различимы глазу в радуге. Тут их свет разделяют малюсенькие капли дождя. Все цвета, из которых и состоит белый, преломляются в немного различных направлениях и превращаются в красочную дугу на небе. Спектроскоп, разработанный Фраунгофером, представляет собой очень точную радужную машину — аппарат, с помощью стеклянной призмы или мелкоячеистой решетки расщепляющий свет на все его цвета.

Первым делом Фраунгофер нацелил свой спектроскоп на Солнце. Свет разделился во всех цветах радуги, но с нерегулярными интервалами — в цветовом спектре можно было четко выделить темные линии. Некоторые цвета отсутствовали. Почему?

Недостающие цвета в солнечном свете, которые Фраунгофер наблюдал в 1814 году. Сегодня эти темные линии называются «Фраун-гоферовы линии». Они показывают нам, какие газы находятся в атмосфере Солнца.

На этот вопрос смогли ответить в 1859-м, через 24 года после заявления Конта о неподдающейся анализу природе небесных тел. Тогда немецкий физик Густав Кирхгоф вместе со своим соотечественником химиком Робертом Бунзеном продемонстрировал, что отсутствующие линии в солнечном спектре точно соответствуют линиям, которые можно наблюдать в лаборатории от известных светящихся газов. «Отпечатки пальцев» лабораторных газов были идентичны «отпечаткам», наблюдаемым у Солнца. Таким образом, вопреки утверждению Конта, им удалось установить химический состав поверхности Солнца. Линии в спектре света называются спектральными линиями.

Спектральные линии и сегодня широко используются в астрофизике, а значение спектроскопии для современной астрономии и, в частности, для поиска темной материи и темной энергии практически невозможно переоценить.

Электромагнитный спектр

Видимый нам свет — это лишь малая часть того, что мы называем электромагнитным спектром.

Электромагнитный спектр\ от самых длинных радиоволн до кратчайших гамма-лучей. В середине находится видимый свет.

Я уже упоминал, что красный свет — самая длинная видимая волна, а самая короткая — та, которую мы воспринимаем как синий. Волны цветов видимого излучения находятся в диапазоне 380 и 760 нанометров, где нанометр — это 10-9 м, или одна миллиардная метра. Более длинные волны называются инфракрасным светом, а еще более длинные — радиоволнами. Самые короткие радиоволны также называются микроволнами. Микроволны, которые могут иметь длину волны от одного миллиметра до одного метра, мы рассмотрим позже. Есть также электромагнитные волны, которые короче видимого света. Сначала идут ультрафиолетовые волны, а затем следуют рентгеновские лучи, а самые короткие электромагнитные волны называются гамма-лучами. Гамма-излучение очень пригодится, когда мы позднее будем искать частицу темной материи. Весь электромагнитный спектр, от длинных радиоволн до коротковолнового гамма-излучения, играет важную роль в астрономии. Потому что, хоть нашим глазам доступен только видимый свет, мы можем создавать приборы, которые различают все остальные длины волн.

Так зачем же я вспомнил про философа, да и к тому же допустившего фундаментальную ошибку? Во-первых, история Конта дает нам отличный повод, чтобы вспомнить о спектроскопии. Во-вторых, многие из нас, астрофизиков, испытывают детскую и даже нездоровую радость, когда выпадает возможность посмеяться над философами. Нездоровую, потому что, когда мы выходим за границы науки, философы, несомненно, способны внести в наши изыскания немалый вклад. И нам следует, в частности, поблагодарить того же Огюста Конта, пионера в создании того, что сегодня мы назвали бы современным научным методом. Но главным образом я вспомнил о Конте потому, что его история говорит нам нечто важное о науке, особенно об астрофизике. До спектроскопии даже признанный философ не мог представить, что возможно раскрыть химический состав небесных объектов без анализа в химической лаборатории. Разумеется, есть надежда, что проблемы и научные барьеры, считающиеся сегодня неразрешимыми и непреодолимыми, когда-нибудь в будущем можно будет исследовать методами, которые сейчас и не представишь.

2.4. Цвикки и быстрые галактики

Как показывает пример с Пулей, в скоплениях галактик, судя по всему, обитает темная материя. Скопление галактик — это как раз то самое место преступления, где были обнаружены одни из самых первых улик того, что мы считаем темной материей.

В 1933 году в не особо читаемом швейцарском журнале Helvetica Physica Acta появилась статья, автором которой был не особо известный швейцарский физик и астроном Фриц Цвикки. Но в статье скрывалось революционное открытие — темная материя.

Чтобы одним из первых заявить о том, что Вселенная состоит из огромного количества невидимого вещества, мало обладать воображением и либеральными взглядами на природу и физику — нужна еще и невероятная уверенность в собственных доводах. Ну и не станем забывать о самоуверенности, избавляющей от страха допустить ошибку. И, что немаловажно, понадобятся солидные научные знания для обоснования гипотезы. Все это у Фрица Цвикки имелось.

Фриц Цвикки

Норвежцы привыкли, что оригинальные мыслители — например, Арне Несс и Питер Бессель Цапффе — нередко увлекаются скалолазаньем и поэтому не удивляются, когда великие рассуждения и горные виды спорта идут рука об руку. Поэтому они считают совершенно естественным, что Цвикки совмещал научную деятельность с альпинизмом. Цапффе описывает альпинизм как «…спорт для индивидуальностей, для оригиналов и аутсайдеров», а Цвикки однозначно можно отнести к оригиналам — и как ученого, и как человека. А раз уж мы затронули «норвежские» качества ученого, вспомним, что его отец, Фридолин Цвикки, служил норвежским консулом в болгарском городе Варна в первые годы жизни сына.

Однако же Фриц Цвикки считал себя швейцарцем и никогда даже не ступал на норвежскую землю. Американскую землю Цвикки, напротив, исходил вдоль и поперек, поскольку большую часть жизни проработал профессором Калифорнийского технологического института (известном также как Калтех).

Для научной работы Цвикки характерны впечатляющая широта, креативность и дальновидность. Мы уже упоминали о его «открытии» темной материи — к нему мы вскоре вернемся. Но Цвикки не только обнаружил темную материю. Он, например, первым предположил, что скопления галактик могут выступать в роли гравитационных линз. Эту идею Цвикки впервые высказал в 1937 году, и, хотя до открытия скопления — гравитационной линзы пройдет еще 40 лет, важность такого подхода для современной астрономии очевидна и по сей день.

Другой пример — предсказание Цвикки существования нейтронных звезд. Нейтронные звезды — это класс чрезвычайно компактных звезд, которые остаются после смерти обычных массивных звезд. Нейтронная звезда настолько сильно сжата, что небольшая бутылка из-под газировки с нейтронным веществом будет весить столько же, сколько вся вода в Мьёсе — глубочайшем озере Норвегии. Чтобы предсказать существование нейтронных звезд, настолько необычного класса объектов, что они отправляют весь здравый смысл в нокаут, необходим необычный и непредвзятый подход к исследованиям. Именно он и стал визитной карточкой Цвикки. Сегодня о существовании нейтронных звезд мы знаем, по крайней мере, благодаря излучаемым ими радиоволнам, так что и в этом Цвикки оказался прав.

Несмотря на консульский опыт своего отца, Фриц Цвикки вряд ли стал бы хорошим дипломатом: обходительностью он не отличался, зато честным был до жестокости и даже прославился колкими и нелестными характеристиками своих коллег. Самый известный пример — это прозвище «сферические ублюдки», которым Цвикки окрестил коллег-астрономов, а объяснял он свою логику так: «…на них с какой стороны ни посмотри — они ублюдки». Цвикки нечасто получал от коллег рождественские открытки, и этот факт, видимо, помешал ему прославиться еще сильнее, хотя вклад в науку он внес неоценимый.

Вращающиеся галактики в скоплении Кома

Революционное открытие темной материи Цвикки вылилось из скрупулезного наблюдения за скоплением Кома в созвездии Волосы Вероники — одним из ближайших к нам крупных скоплений галактик. Оно состоит из пары тысяч галактик и растягивается примерно на пятнадцать миллионов световых лет.

Центральная часть скопления Кома. Картинка создана благодаря космическому телескопу «Спитцер» и «Слоуневскому цифровому небесному обзору».

Звучит внушительно. Но если мы попытаемся представить эти пятнадцать миллионов световых лет в перспективе, то в космических масштабах получится не очень много. Не больше размера 150 расположенных рядом Млечных Путей. А внутри этой области несколько тысяч галактик. Получается, что располагаются они довольно тесно, а значит, зависят от гравитационных сил друг друга. Это взаимное влияние и удерживает галактики вместе. Цвикки изучал, каким образом гравитационные силы в скоплениях влияют на движение самих галактик.

Я уже сравнивал скопление галактик с роем комаров. И в скоплении Кома галактики хаотично летают во всевозможных направлениях, совсем как комары. Отдельная галактика вполне может отдаляться от центра скопления с огромной скоростью, но гравитационные силы других галактик все равно окажутся сильнее, так что в конце концов она развернется и двинется внутрь. Поэтому скопление и не распадается.

Похожее явление наблюдается, когда подбрасываешь вверх камень. Теоретически камень можно подбросить с такой силой, что он улетит в космос и рано или поздно покинет Солнечную систему. На практике же это невозможно, ведь сила притяжения Земли не позволит ему настолько отдалиться. Но, допустим, что мы перенесем камень на меньшее небесное тело, например, на комету со странным названием 67Р/Чурюмова — Герасименко, которую в 2014 году исследовал космический аппарат «Розетта». Масса этой кометы в разы меньше, чем у Земли, поэтому и сила притяжения слабее. Подбрось мы камень там — и скорости в 2 км/час вполне хватило бы, чтобы он навсегда покинул комету.

Таким образом, скорость, с которой камень способен двигаться, не улетая, зависит от массы тела, откуда этот самый камень брошен. Чем массивнее тело, тем быстрее камень двигается, не рискуя исчезнуть. То же самое происходит с галактиками, движущимися в скоплении. Там за гравитацию уже отвечает не Земля или комета, а суммарная масса всех остальных галактик. Если мы измерим, насколько быстро галактики движутся, при этом не разлетаясь, то сможем узнать массу всего скопления.

Но можно добиться и большего. Вернемся к камню, который мы подбрасывали вверх. Не нужно быть гением в этом нехитром деле, чтобы заметить взаимосвязь между скоростью броска и высотой. Если начальная скорость камня — 30 км/час, то он поднимется в воздух на три с половиной метра и лишь затем начнет падать. Но и высота, на которую взлетит камень, зависит опять же от мощности гравитации. Если бросить камень с той же скоростью, стоя на поверхности Луны, он сможет подняться более чем на 20 метров. Если однажды утром вы вдруг проснетесь на неизвестном небесном теле, то подбросьте камень вверх со скоростью 30 км/час и измерьте расстояние до верхней точки. Измерение можно использовать при определении силы гравитации, а эти данные, в свою очередь, пригодятся для вычисления массы небесного тела.

Метод, которым пользовался Цвикки для определения массы скопления Кома, не сильно отличается. Понятное дело, в похожем на комариный рой скоплении галактик вряд ли найдется место, откуда удастся измерить высоту при помощи камня, но вместо этого Цвикки измерил радиус скопления галактик. Сравнивая скорости галактик (вместо скорости камня) с радиусом скопления галактик (вместо высоты), он рассчитал массу скопления. Этот расчет основывался исключительно на данных о силе гравитации скопления, независимо от его свечения. Кроме того, Цвикки измерил доходящий до нас от скопления Кома свет и использовал это для определения количества видимой светящейся в нем материи. Затем он сравнивал две вычисленных массы, основанные на гравитации и на светимости звезд. Результат превзошел все ожидания.

Согласно полученным Цвикки данным, количество материи, влияющей на гравитационные силы, в несколько сотен раз превышает количество светящейся массы. Ученый пришел к выводу, что скопление содержит большое количество субстанции, которую он по-немецки назвал dunkle Materie (Темная материя). Из расчетов Цвикки следует, что темная материя составляет более 99 процентов скопления, а обычная видимая материя — меньше одного процента.

Сегодня, более 80 лет спустя, Цвикки по-прежнему прав: в скоплении Кома содержится очень много темной энергии. Однако мнение о ее количестве существенно изменилось: если Цвикки считал, что темная материя составляет более 99 процентов, то сегодня мы, скорее, склоняемся к 90 процентам. В связи с расширением наших знаний о Вселенной, выяснилось, что и видимого вещества там вдвое больше. Таким образом, заключение Цвикки было качественно правильным, но количественно далеким от истины. В чем же ошибся Цвикки?

Никакой грубой ошибки ни в вычислениях, ни в методе ученый не допустил. Но для преобразования полученных величин в физическую массу Кома необходимо знать расстояние от нас до скопления. Проблема заключается в том, что в 1930-х годах расстояние до скопления Кома считалось относительно небольшим. Вот представьте, что вы в горах и видите свет от костра в километре от вас. Из-за расстояния свечение будет неярким, хотя костер, возможно, порядочный. Но если вы ошибочно решите, будто костер всего в ста метрах, то он покажется вам маленьким из-за блеклого света. Примерно то же самое произошло и с Цвикки. Он думал, что смотрит на относительно близкие галактики, и поэтому предположил, что свет тусклый, а значит, излучающего свет вещества в галактиках мало. На самом же деле, причиной тусклого света было намного большее расстояние, нежели думал Цвикки.

Чему нас учит история Цвикки

Хоть Цвикки и знатно промахнулся с количеством темной материи в скоплении галактик Кома, проделанной им работой трудно не восхититься. Ведь ошибка заключалась в расчетах, а не в самом открытии. Он первым начал использовать новые астрономические методы, что и помогло прийти к этому заключению. К тому же такой невероятный результат не заставил его сомневаться в верности своих расчетов. Большинство людей на его месте подумали бы: «Вот черт, должно быть, где-то я ошибся», а потом начали бы подгонять методы и гипотезы под то, что изначально ожидали найти.

Выводы Цвикки впечатляют еще больше, если брать в расчет годы их публикации. В начале 1930-х, когда он начал изучать движение галактик, мы только-только приблизились к пониманию того, что вообще они из себя представляют. Всего десятью годами ранее астрономы спорили о том, всё ли из видимого на небе — часть Млечного Пути или же спиралевидные туманности, которые можно разглядеть при помощи телескопов, — крупные самостоятельные галактики далеко за пределами нашей.

Казалось бы, об обнаружении огромного количества темной материи должны на каждом шагу трубить все таблоиды. Но заголовок статьи Цвикки вовсе не вопил: «СЕНСАЦИЯ! БЕЗУМНЫЕ КОЛИЧЕСТВА МИСТИЧЕСКОГО НЕВИДИМОГО ВЕЩЕСТВА В СКОПЛЕНИИ КОМА». Вместо этого статья называлась так: «Красное смещение внегалактических туманностей». Результаты были описаны крайне сдержанно, и причин тому достаточно. Во-первых, в то время пиар в средствах массовой информации и распространение сомнительных результатов не влияли на финансирование дальнейших исследований. Во-вторых, Цвикки и сам осознавал неточность результатов и старательно работал над отсеиванием некоторых спорных моментов. Ко всему прочему, он размышлял о природе темной материи. Ученый ни слова не сказал о том, что это, должно быть, новый таинственный невидимый вид частиц. Цвикки просто различал светящуюся и темную материю. И не факт, что понятие темной материи в его интерпретации совпадает с сегодняшними представлениями. Тем не менее сейчас мы совершенно уверены, что Цвикки обнаружил именно темную материю в ее современном понимании.

Раз уж мы начали этот разговор, из истории Цвикки и скопления Кома можно выжать еще кое-что поучительное. Например, что серьезные научные выводы следует публиковать с предельной осторожностью, в особенности когда дело касается астрономии. В абсолютно любом исследовании выводы будут опираться на предположения. В случае Цвикки ученый предполагал, будто знает правильное расстояние до скопления галактик. Но это предположение было не единственным. Например, еще он предположил — сознательно или неосознанно, — что закон гравитации на больших расстояниях в скоплениях галактик действует точно так же, как в Солнечной системе, и что его методы измерения скорости верны.

Когда во время детального исследования ученые приходят к невероятным заключениям, например констатируют наличие огромного количества невидимого вещества во Вселенной, на это бывает несколько причин. Неверным может быть само предположение. А еще не исключено, что ошибка закралась в наблюдения. Или даже в вычисления? И тем не менее никогда не стоит отвергать последнюю и самую захватывающую возможность: невероятное заключение верно. Однако, чтобы это заключение подтвердилось, необходимо досконально изучить все остальные варианты.

Цвикки — далеко не первый астроном, столкнувшийся с трудностями при измерении космических расстояний. Проблема измерения расстояний в космосе досаждает астрономам уже тысячи лет. По сей день многие из наших умозаключений о космосе основываются на четком контроле измерения расстояний. Так каким же образом следует измерять космические расстояния?

2.5. Измерение расстояний в космосе

Что бы там ни говорили Led Zeppelin, лестницу в небо купить невозможно. Однако, начиная со времен Древней Греции, астрономы медленно мастерили так называемую космическую лестницу или «шкалу расстояний в астрономии».

Почему я называю ее лестницей? Потому что различные методы измерения расстояний опираются друг на друга. При измерении расстояния до далекой галактики нам для начала нужно правильно измерить расстояние до звезд в Млечном Пути, а для этого надо, в свою очередь, измерить расстояние до Солнца. До того, как появились радары, необходимо было знать размер Земли, чтобы рассчитать расстояние до Солнца.

Первые ступени космической лестницы начали закладывать еще древние греки Эратосфен (276–194 до н. э.) и Аристарх (310–230 до н. э.) более двух тысяч лет назад. Измерив тени в разных местах Земли и углы между Солнцем и Луной, им удалось рассчитать как размер Земли, так и расстояние от Земли до Солнца. Из-за неточных измерений результаты тоже были не особо правильными, однако греки показали, каким образом при помощи геометрии измерять расстояния за пределами земной поверхности.

После определения расстояния до Солнца следующим шагом стало расстояние до других звезд, а это задача не из легких. Измерения должны быть невероятно точными, а такое уже было не под силу Аристарху и компании. И хотя с измерениями расстояний все непросто, принцип определения расстояний до звезд не так уж и сложен. Он называется методом параллакса и хорошо знаком всем, кто не жалуется на зрение.

Измерение расстояния методом параллакса

Используя одновременно два глаза, мы видим трехмерную картинку и можем оценивать расстояния: например, дотянемся ли мы до висящего перед нами яблока. Происходит вот что: оба глаза смотрят на яблоко под немного разными углами. Если вы сфокусируете взгляд на плодоножке яблока, а оно висит прямо перед вашим носом, то оба глаза скосят к нему. Отодвинете яблоко подальше — глаза снова разойдутся. Получается, что образуемые глазами утлы зависят от отдаленности яблока, а наш мозг использует их для вычисления расстояния. Если яблоко слишком далеко, то рассчитать расстояние будет проблематично. Разница в угле между двумя глазами, когда вы фокусируетесь на яблоке в 100 или 110 метрах от вас, ничтожна. Поэтому нашим глазам удобнее всего использовать метод параллакса, когда объект находится на расстоянии вытянутой руки, а если он уже метрах в 25, то метод становится неприменимым.

К тому же наше бинокулярное зрение небезгранично, и пытаться «разглядеть» расстояние до ближайших звезд — гиблое дело. Дело в том, что глаза у нас расположены очень близко друг к другу. Было бы это расстояние побольше, например метр, мы способны были бы разглядеть объекты, находящиеся намного дальше от нас. А если увеличить расстояние между глазами до нескольких сотен тысяч километров, то наших глаз хватило бы, чтобы рассмотреть планеты Солнечной системы. Но мечтать о настолько широко расставленных глазах не стоит — это непрактично и неэстетично. К тому же раз люди неспособны видеть на такие расстояния, то можно создать искусственные «глаза», которым это будет под силу.

В роли искусственных глаз могут выступить телескопы. Чтобы измерить расстояние до самых далеких объектов, два телескопа тоже нужно поместить как можно дальше друг от друга. Но даже если поставить один телескоп на севере Норвегии, а другой — на Канарских островах, то этого все равно будет недостаточно для измерения расстояния даже до ближайших звезд. Относительно Галактики Земля уж слишком мала. И как же тогда увеличить расстояние между этими «глазами»? Использовать движение Земли! Одно измерение видимого положения звезды можно сделать, когда Земля находится с одной стороны от Солнца, например в середине зимы, а второе — с противоположной стороны в середине лета. Так расстояние между нашими «глазами» увеличивается до 300 миллионов километров, что в 60 000 раз больше расстояния между Северной Норвегией и Канарскими островами.

Схема параллакса. Когда Земля движется вокруг Солнца, положение ближней звезды будет меняться относительно далеких звезд на заднем плане. Это можно использовать для расчета расстояния до ближайшей звезды.

Это и есть метод параллакса. В XIX веке благодаря этому методу люди впервые получили доступ к достаточно точным измерительным инструментам, позволяющим высчитывать расстояние до звезд. В наши дни стало возможным измерять параллаксы для более чем 10 000 звезд, используя точные измерения положения со спутника.

(На момент публикации этой книги на русском языке — примерно до 1 миллиарда звезд. Редактор.)

Несмотря на широкое расположение глаз и постоянно совершенствующиеся измерительные приборы, с помощью параллакса можно измерять расстояния только в пределах нескольких тысяч световых лет. Это соответствует лишь нескольким процентам протяженности Млечного Пути. А ведь нам хочется измерять расстояние до галактик далеко за пределами Млечного Пути.

Для Цвикки это было не менее важно. Его интересовало, сколько света излучают изучаемые им галактики. Тогда, помимо измерения количества принимаемого света, нужно знать, на каком расстоянии от нас эти галактики находятся. Кроме того, Цвикки понадобилось бы расстояние для определения размеров скопления Кома, без этого показателя невозможно ничего сказать о гравитационных силах в скоплении.

Здесь параллакс поднимает белый флаг, а мы поднимаемся на новую ступеньку космической лестницы. И на помощь нам приходит явление, которое еще не раз порадует нас на протяжении книги, а именно стандартные источники света, или стандартные свечи, — своеобразный космический факел.

Далекие факелы

Представьте, что вы идете на новогоднюю вечеринку к богачу где-то вдали от ярко освещенного города. Вы потратили все деньги на аренду презентабельного наряда, на такси не хватает, и вы решаете пройтись пешком до усадьбы. Вам повезло: хозяин оказался достаточно гостеприимным и расставил там и сям вдоль дороги небольшие факелы. Расстояние между ними каждый раз разное. На открытом пространстве отчетливо видно, как факелы ведут до отдаленной усадьбы. И, шагая в одиночестве под мерцающими звездами темной зимней ночью, вы задаетесь одним из экзистенциальных вопросов, который на протяжении веков занимал людей: долго ли еще идти до вечеринки?

Тут на выручку приходит свет факелов. Поскольку вы заядлый и опытный фотограф (и самоуверенно полагаете, что именно поэтому вас и позвали на вечеринку), у вас с собой операторское оборудование, умеющее очень точно измерять яркость.

С помощью фотоаппаратуры вы измеряете характеристики света от ближайшего факела, а потом шагами высчитываете расстояние. Десять метров! Затем вы измеряете характеристики света самого дальнего от вас факела, самого тусклого, который стоит у лестницы в усадьбу. Вы обнаруживаете, что его яркость составляет одну десятитысячную яркости ближайшего факела. Так как вы прекрасно знаете, что яркость должна уменьшаться в 4 раза при удвоении расстояния, то после быстрых вычислений узнаете, что расстояние до особняка составляет 1000 метров, проще говоря, километр.

Чем дальше факел, тем меньше света до вас доходит. Если все факелы одинаковые, то можно измерить получаемый от дальних факелов свет, чтобы рассчитать расстояние.

Таким способом вполне реально определить расстояние до дальнего факела. Но, как мы уже поняли, каждое научное заключение основано на предположениях. В случае с факелами ваше заключение — 1000 метров — зависит, в частности, от следующих факторов:

— насколько точно вы измерили яркость,

— действительно ли яркость уменьшается ровно в 4 раза при удвоении расстояния,

— насколько точно вы измерили расстояние до ближайшего факела,

— действительно ли первый и последний факелы излучают одинаковое количество света (т. е. имеют одинаковую светимость).

Думаю, вы не удивитесь, узнав, что пример с факелами — прямая аналогия того, как мы определяем расстояние до многих звезд и галактик во Вселенной. От все тех же четырех пунктов, о которых мы говорили при измерении расстояния между факелами, будет зависеть и точность определения астрономических расстояний. Так как же астрономы справляются с этими пунктами?

С первым пунктом особых сложностей не возникает. Астрономы отлично умеют измерять яркость и, что не менее важно, умеют оценивать точность измерений.

Второй пункт, касающийся того, насколько меньше света излучает источник при увеличении расстояния, уже менее однозначный. Верность закономерности об удвоении расстояния и уменьшении интенсивности яркости до четверти исходной зависит от того, насколько беспрепятственно свет перемещается в пространстве. В случае с факелами мы можем представить, что из-за легкого тумана свет дальнего факела кажется слабее. Во Вселенной сходным эффектом обладает, например, космическая пыль. Если пыль ослабляет свет далекой звезды, то кажется, будто звезда находится дальше, чем на самом деле. Проблема эта однозначно заслуживает внимания, но все же сейчас нам доступны надежные способы картирования пыли, так что и этот пункт вполне подвластен контролю.

А что с третьим пунктом? (В нем говорится про измерение расстояния до ближайшего факела.) Замерить расстояние до ближайшего факела относительно просто. Но вот как быть с ближайшей звездой? Ну, например, воспользоваться методом параллакса: наблюдать, как звезда движется на небе, пока Земля обращается вокруг Солнца.

Таким образом, мы можем измерить расстояние до ближайшей звезды, используя метод параллакса. Затем найти звезду того же типа, которая расположена гораздо дальше, и, сравнивая, сколько света до нас доходит от двух звезд, мы вычислим, на каком расстоянии находится дальняя звезда.

И вот мы добрались до четвертого пункта: откуда мы знаем, что оба факела (или обе звезды) излучают одинаковое количество света? Представим, что последний факел слегка отличается и горит немного слабее первого. Тогда тусклый свет заставит нас поверить, что поместье находится дальше, чем на самом деле. Со звездами проблема становится только серьезнее: звезды бывают всевозможных светимостей. Как же тогда узнать, что обе звезды — как ближняя, так и дальняя — излучают одинаковое количество света?

Нас выручает то, что у большинства нормальных звезд температура поверхности и светимость взаимосвязаны. У больших, излучающих много света звезд, как правило, более низкая температура поверхности, чем у маленьких и излучающих меньше света. В измерении температуры поверхности звезды все относительно просто: горячие звезды излучают больше света на коротких волнах, чем холодные. Та же ситуация, что и с обычным пламенем: синее пламя горячее, чем красное, а у синего света более короткие волны, чем у красного.

Недостаток такого метода заключается в том, что соотношение между яркостью и температурой приблизительно и что ко всем видам звезд его не применить. Но если посмотреть на достаточное количество звезд, то техника для приблизительной оценки расстояний вполне рабочая. Основное условие — это, конечно, рассмотрение относительно коротких расстояний, чтобы можно было наблюдать за обычными одиночными звездами через телескоп.

Но все же подгон звезд по температуре и яркости уж слишком грубый и неточный для того, чтобы стать межгалактической измерительной лентой. Поэтому астрономы почти помешаны на поиске так называемых стандартных свечей (или стандартных источников света). Это источники света, например звезды, светимость которых нам точно известна. А еще стандартные свечи должны быть очень яркими, ведь так они будут видны, несмотря на большие расстояния, и также желательно, чтобы их легко было отличить от других звезд. Но как же найти эти стандартные свечи?

Цефеиды спешат на помощь

И вот на сцену вступает новый фантастичный класс звезд: цефеиды. На выдающиеся характеристики цефеидов впервые обратила внимание в 1908–1913 годах астроном Генриетта Ливитт (1868–1921). Цефеиды — это класс пульсирующих переменных звезд. Яркость цефеиды то увеличивается, то уменьшается в течение периода, длящегося от нескольких дней до нескольких недель, — это и называют пульсациями. Ливитт обнаружила взаимосвязь между быстротой пульсации цефеиды и ее светимостью: чем медленнее пульсация, тем сильнее светит звезда в «яркий» период. Измеряя, как быстро пульсирует цефеида, мы можем узнать, сколько света она излучает, когда светит наиболее мощно. Ну вот, у нас есть стандартная свеча! Таким образом, мы можем измерить, сколько света доходит до Земли, и вычислить расстояние до цефеиды. Кроме того, наиболее яркие цефеиды — те, что медленно пульсируют, могут сиять в десятки тысяч раз ярче Солнца, а это означает, что за такими звездами можно наблюдать, даже если они находятся за пределами Млечного Пути.

Итак, цефеиды — еще одна ступенька космической лестницы: зная расстояние между Солнцем и Землей, мы измерим расстояние до ближайших звезд, используя параллакс. И если нам удастся измерить расстояние до ближайших цефеид при помощи параллакса, то мы сможем измерить расстояние до более отдаленных цефеид, используя их как стандартные свечи.

Помимо всего прочего, именно цефеиды позволили Цвик- ки определить расстояние до галактик в скоплении Кома. А это расстояние, в свою очередь, можно использовать для определения массы ярких звезд скопления.

Несмотря на этот безупречный метод, Цвикки, как мы уже поняли, серьезно промахнулся при расчете расстояния до скопления Кома. Но почему? Все дело в том, что во времена Цвикки были раскрыты не все тайны цефеид. Существуют разные классы цефеид с разным соотношением светимости и скорости пульсаций, а до 1940-х годов об этом известно не было. Это как если бы богач разместил два разных вида факелов вдоль дороги, а вы об этом и не подозревали. Проблема с различными классами цефеид привела к тому, что практически все расстояния до объектов за пределами Млечного Пути в 1930-х годах были недооценены, а в случае Цвикки из этого последовала еще и ошибка в оценке количества темной материи в скоплении галактик.

Цефеиды и измерение расстояний занимают не последнее место в истории Цвикки, а о ступенях космической лестницы мы еще не раз вспомним в этой книге. Но давайте-ка ненадолго вернемся к заключению Цвикки: существованию темной материи.

2.6. Темная материя. Или лишь слегка темноватая?

Цвикки столкнулся с несоответствием количества светящегося вещества количеству материи, оказывающей влияние на гравитацию. Но нам-то что с того? Просто много несветящегося вещества. Чему тут удивляться? Со всех сторон нас окружают не излучающие свет предметы. Ни птицы на крыше, ни окутанные облаками скалистые горы света не излучают.

Темная материя, которую в 1933 году заметил Цвикки, — а что, если это просто-напросто чуть менее яркая обычная материя? Как вообще ему удалось рассчитать массу, опираясь на количество света в галактиках? Если десятиграммовая лампочка светит гораздо ярче валуна в десять тонн, как вообще можно использовать свет, чтобы узнать хоть что-то о количестве материи?

Но не только камни в горах на Земле не излучают свет. Посмотрим, например, на наш космический райончик, Солнечную систему. Солнце-то светит чертовски ярко, а вот Земля, другие планеты, кометы, астероиды и прочая мелочь, кружащаяся вокруг Солнца, сами по себе холодные и темные. Да и к тому же Солнце содержит 99,9 процентов общей массы Солнечной системы, так что игнорирование планет и прочих небесных тел не особо скажется на количестве вещества, по крайней мере, в нашей планетной системе.

В таком случае вполне естественно будет предположить, что в остальных системах Млечного Пути и других галактиках большую часть массы составляют звезды. То есть если нам удастся высчитать массу звезды, в которой сосредоточена львиная доля вещества в системе, то на остальное спокойно можно закрыть глаза.

Проблема лишь в том, что не все звезды одинаковые. Одни звезды маленькие и светят слабо, другие же огромные, намного больше Солнца, и, соответственно, сияют в разы ярче. Если бы звезда в десять раз массивнее Солнца светила в десять раз ярче, то и сложностей бы не было. Но, к сожалению, все устроено не так просто. Как правило, если одна звезда в два раза массивнее другой, то яркость будет гораздо больше удвоенной. Например, обычная звезда, которая в десять раз массивнее Солнца, будет светить в 3000 раз ярче.

У обычных звезд прослеживается взаимосвязь между массой и светимостью. Во времена Цвикки люди только начинали в этом разбираться. Так что, в принципе, можно было посчитать звезды с разной светимостью в изучаемых галактиках и без особых затруднений предположить, какая там примерная плотность обычного вещества.

И тем не менее все было не так просто. Те галактики, которые изучал Цвикки, расположены настолько далеко и содержат так много звезд, что сосчитать все отдельные звезды до одной не представлялось возможным. Вместо этого он мог предположить, что пропорции звезд разной массы в далеких галактиках примерно такие же, как и в Млечном Пути. Основываясь на этом предположении, Цвикки мог использовать свет для оценки количества светящегося вещества в Коме.

Тут мы сталкиваемся с третьей проблемой. Чтобы понять, сколько света излучает звезда или галактика, нужно знать еще и расстояние до них. Хотя, наверно, в этом ничего странного нет, ведь мы привыкли, что свет слабеет по мере удаления от нас источника света. Закономерность того, как уменьшается яркость, проста и понятна. Когда расстояние до источника света удваивается, яркость уменьшается вчетверо, а когда расстояние возрастает в 10 раз, яркость уменьшается до одной сотой от оригинала. Если замерить, сколько света от звезды доходит до Земли, зная при этом расстояние до этой звезды, то подсчитать ее полную светимость будет проще простого. А с полной светимостью, как уже упоминалось, можно вычислить и массу.

Таким образом, Цвикки мог вычислить, сколько светящейся материи было в изучаемых областях, зная расстояние до звезд и галактик.

Наблюдения Цвикки были первыми в череде «открытий» темной материи в скоплениях галактик, притом, что большинство ученых следовали единой инструкции: первым делом нужно определить, сколько материи влияет на гравитацию в скоплении. Можно последовать примеру Цвикки и измерить скорости относительно галактик, а еще можно использовать гравитационное линзирование. Тогда уже придет черед измерить светящуюся материю. И тут появляется расхождение: светящейся материи маловато, и мы называем недостающую материю темной.

Аргумент простой, но все же не совсем удовлетворительный. Как мы упоминали ранее, существование темной материи — гипотеза выдающаяся, а значит, и доказательств требует выдающихся. В своих аргументах о темной материи Цвикки не говорит ничего о ее фундаментальных отличиях от обычной материи, например, о ее неспособности сталкиваться с другими материями. Он лишь обращает внимание на отсутствие света. Так пример со скоплением Кома звучал более убедительно: нет никакой темной материи, есть лишь «недостающая».

В столкновении между скоплениями галактик мы увидели, что темная материя ведет себя совершенно иначе: она, в отличие от обычной, ни с чем не сталкивается.

В 1930-х годах идея о темной материи не привлекла должного внимания в астрономическом сообществе — и это несмотря на солидность работы Цвикки и впечатляющие заключения. К тому же ученый был не единственным, кто «обнаружил» темную материю. Уже в 1932 году, еще до публикации статьи Цвикки, нидерландский астроном Ян Оорт напечатал работу, в которой пришел к выводу, что в окрестностях Млечного Пути должно быть большое количество темной материи. Позднее выводы Оорта оказались необоснованными (уж слишком сильно он промахнулся в своих предположениях), но Оорт обладал немалым авторитетом в астрономическом сообществе, и его результаты, безусловно, не остались без внимания. И тем не менее на протяжении последующего десятилетия интерес к темной материи не возрастал. Почему?

Отсутствие интереса имеет разные причины. Для начала не стоит забывать про временной контекст. В ту эпоху человечество едва успело осознать, что Млечный Путь — лишь одна из множества галактик, значит, наверное, сообщать еще и о существовании во Вселенной огромного количества темной материи было слегка преждевременно? Кроме того, как мы уже упоминали, наблюдения Цвикки (и Оорта, раз уж на то пошло) только показали, что есть некая материя, существование которой, опираясь лишь на данные излучаемого света, мы объяснить не в состоянии. Ни о чем принципиально новом это еще не говорило.

В 1970-х годах мы значительно приблизились к ответу на вопрос, где находится темная материя. Одновременно с этим астрономы стали относиться к этому открытию более серьезно. Толчком послужили открытия Веры Рубин.

2.7. Вера Рубин и темные галактики

Иногда может показаться, будто предметы вращаются. Так и есть. Земля вращается как вокруг собственной оси, так и вокруг Солнца. Солнце и Солнечная система обращаются вокруг центра Млечного Пути — как и миллиарды других звезд нашей галактики. Млечный Путь — лишь одна из мириад вращающихся галактик. А вращающиеся галактики как раз и стали для Веры Рубин (1928–2016) предметом изучения.

Неспроста же Веру Рубин ежегодно упоминали как одного из самых ярких кандидатов на Нобелевскую премию по физике. Ее исследования в области движения звезд по галактикам являются, пожалуй, самой важной исторической вехой в нашем понимании темной материи. Благодаря серии точных измерений скорости движения звезд, она заметила не только то, что отдельные галактики, вероятно, содержат большие количества темной материи, но и то, что темная материя ведет себя совсем по-другому.

Было совсем не очевидно, что Вера Рубин (урожденная Купер) станет астрономом. И дело не в отсутствии таланта или заинтересованности — просто она была женщиной. Ей, например, отказывали в аспирантуре на физическом факультете в Принстонском университете, так как вплоть до 1975 года университет не принимал женщин на такие учебные программы. Рубин не раз сталкивалась с тем, что ее не воспринимали всерьез — представить себе это несложно. В те времена какой-нибудь учитель старшей школы вполне мог ляпнуть, что главное — держаться подальше от науки, и тогда жизнь у нее сложится, а какой-нибудь любитель давать советы, услышав про интерес к астрономии и искусству, предложил бы ей рисовать что-то в космической тематике. В начале карьеры результаты исследований Рубин, очевидно, воспринимались с большим недоверием, чем результаты большинства ее коллег-мужчин.

Вера Рубин изучает фотопластинки с изображениями галактик (примерно 1970 г.).

К счастью, Вера не отличалась заниженной самооценкой и не зацикливалась на мнении окружающих. От астрономии она отказываться не собиралась, а до получения докторской степени ее научными руководителями были такие выдающиеся ученые, как Ричард Фейнман, Ханс Бете и Георгий Гамов. Но как только она приступила к работе в Вашингтоне, невероятные результаты стали появляться один за другим. Впрочем, случилось это только в 1970-х годах.

Галактическая карусель из глазуньи

Если скопление Кома и открытия Цвикки доказывают существование темной материи в скоплениях галактик, то теперь мы направимся в одну из вращающихся галактик, то есть сделаем большой шаг в сторону нашей собственной Солнечной системы. Давайте тогда поближе рассмотрим Млечный Путь — ту самую Галактику, в которой мы живем.

Мы уже представляли размер Млечного Пути в нашей модели с Солнцем — кокосовым орехом, где уменьшенная Галак гика будет соответствовать половине реального расстояния между Землей и Солнцем, а это немало. А еще мы помним, что за секунду свет более семи раз облетает Землю. Для преодоления расстояния между Землей и Солнцем свету потребуется более восьми минут, а путешествие вспышки света сквозь Млечный Путь займет более 100 000 лет. Получается, диаметр нашей Галактики —100 000 световых лет.

Наша галактика похожа на две яичницы-глазуньи, плоские части которых склеены. Солнце находится в рукаве спирали в «белке», примерно в 30 000 световых лет от центра.

В голову мне не приходит ни единого объекта из повседневной жизни, чья форма напоминала бы форму Млечного Пути. Однако если подстегнуть воображение, то можно сравнить Млечный Путь с двумя глазуньями, одна из которых перевернута и лежит под первой. Два желтка в середине образуют почти сферический центр нашей двойной глазуньи, а вокруг — яичный белок дискообразной формы.

Наша Галактика имеет такую структуру: в центре выпирает сферический комок диаметром около 20 000 световых лет. Вокруг сферического центра расположена дискообразная структура, толщина которой составляет всего несколько тысяч световых лет, а расстояние от края до края — примерно 100 000 световых лет. У нашего диска спиральная структура. Поэтому Млечный Путь считается спиральной галактикой и, как и другие галактики этого типа, вращается.

Солнце мчится вокруг центра Млечного Пути со скоростью более 200 километров в секунду, и даже при этом замыкает круг за целых 240 миллионов лет. Наша Солнечная система расположена довольно неприметно в спиральном рукаве галактического диска, чуть меньше, чем в 30 000 световых лет от центра Млечного Пути. На рисунке изображена галактика, очень похожая на Млечный Путь.

Спиральная галактика NGC 6744. Предполагается, что Млечный Путь выглядит примерно так. Солнечная система находится в одном из галактических рукавов, приблизительно на половине пути от центра галактики. Эти многочисленные яркие точки — звезды из других галактик, находящихся на переднем плане.

О звездах и резиновых уточках

Отправной точкой для открытия Рубин стали наблюдения за движением звезд Млечного Пути. Мы уже поняли, что наша Галактика вращается вокруг центра, но существует много способов вращения. Для твердого тела, велосипедного колеса, например, каждой части потребуется одинаковое время для завершения оборота. Если произвольная точка на шине проходит оборот за секунду, то точке внутри спицы тоже понадобится секунда. Млечный Путь вращается по-другому. Уже в конце 1920-х годов при измерении движения звезд в галактическом диске на разных расстояниях от центра Млечного Пути было обнаружено, что Галактике присуще так называемое дифференциальное вращение. Иначе говоря, правильнее будет сравнить Млечный Путь с резиновыми уточками, а не с колесом велосипеда. Резиновыми уточками?! Да-да. Вспомните тот небольшой водоворот, который возникает, когда вынимаешь пробку из ванны. Если вы посадите утиное семейство вокруг водоворота, то увидите, что наиболее близкие к центру уточки вращаются быстрее более отдаленных. Похожим образом дело обстоит и со звездами Млечного Пути: звезды на разных расстояниях от центра Галактики движутся с разными скоростями.

Я очень хорошо помню карусель из своего детства. Не цирковая карусель с картинки, а небольшой кружок, на который мы становились и разгонялись, крепко держась за поручни. Чем быстрее мы крутились, тем сложнее становилось удержаться. Ты буквально чувствовал, как увеличение скорости приводит к усилению центробежной силы.

(Центробежная сила не является «реальной» физической силой; это просто «ощутимая из-за ускоренного движения сила», но ощутимая сила в нашей ситуации — это уже неплохо.)

Звезды Млечного Пути ощущают ту же центробежную силу, и чем быстрее они вращаются, тем сложнее им удержаться в Галактике и не вылететь наружу, как неуклюжему младшему брату с карусели на площадке. Но что же удерживает звезды? Ну конечно! Это наш старый добрый друг — гравитация.

А что, если звезды вращаются слишком быстро?

Для движения звезды по круговой орбите внутри Галактики необходим идеальный баланс между центробежными силами, которые тянут звезду наружу, и гравитационными силами, которые тянут ее внутрь. Если измерить скорость вращения звезд, то можно рассчитать гравитационные силы, необходимые для их удержания. И если мы знаем, насколько велики гравитационные силы, то уже в состоянии прикинуть, сколько материи потребуется для их создания. Получается, что скорость движения звезд — своеобразный показатель количества вещества в Галактике.

Дальше — больше. Гравитационные силы, которые удерживают звезду, определяются (если совсем уж упрощать) только количеством вещества внутри орбиты этой звезды. Это означает, что гравитационные силы, удерживающие Солнце в Млечном Пути, определяются всем веществом, которое находится ближе Солнца к центру Галактики. А звезды и все остальное, что находится дальше в Галактике, из какого бы вещества оно ни состояло, в этом случае никакой роли не играет.

Вера Рубин как раз и занималась измерением скорости движения звезд на разных расстояниях от центра спиральных галактик. Например, когда астроном измерила скорость звезд в 10 000 световых лет от центра, у нее появилась возможность высчитать количество материи внутри этого диапазона. Затем она получила возможность измерять скорости звезд все дальше и дальше от центра. Таким образом, она постепенно формировала картину того, сколько вещества находится на разных расстояниях от центра вращающихся галактик.

Что касается звезд во внутренних частях галактик, результаты соответствовали ожиданиям. Чем дальше звезды находятся от центра, тем сильнее увеличивается их скорость. И с количеством видимой светящейся материи все сошлось. По мере увеличения расстояния от центра, звезд становится больше, и, следовательно, возрастают гравитационные силы, которые позволяют звездам удерживаться на таких больших скоростях.

А вот результаты измерений на периферии оказались крайне неожиданными. По правде говоря, звезд там негусто. Настолько негусто, что количество материи внутри особо не увеличивается по мере отдаления от центра. Казалось бы, в таком случае влияющая на притяжение материя должна оставаться на примерно одном уровне по мере отдаления во внешние части галактики. В то же время чем дальше мы удаляемся от звезд в центре галактики, тем слабее их гравитационное воздействие. В результате логично ожидать ослабления гравитации при движении наружу во внешние части галактики. Таким образом, скорость вращения галактик тоже должна становиться все ниже и ниже по мере приближения к краям.

Подведем итоги. Если брать в расчет только видимую материю в галактике, то должно получиться так: ближе к центру мы сначала увидим, что звезды движутся все быстрее и быстрее, а на периферии мы ожидаем, что чем сильнее отдалимся, тем медленнее будут обращаться по орбитам звезды.

Но вот Рубин заметила, что все не так. По мере отдаления от центра галактического диска скорости совсем не падали, а оставались все такими же высокими даже у самых крайних видимых звезд. Эти звезды движутся настолько быстро, что должны бы давно улететь в открытый космос, так как гравитационным силам в галактиках не удалось бы их удержать. Но этого не происходит. То есть тут наверняка замешаны какие-то дополнительные гравитационные силы. А поскольку внешние звезды в галактиках вращаются так же быстро, как и находящиеся внутри, дополнительная материя, создающая дополнительные гравитационные силы, должна находиться дальше от центра галактики, чем видимые звезды. Мы полагаем, что это и есть темная материя.

Обратите внимание, что в наблюдениях Рубин есть один весьма важный момент, который отсутствовал у Цвикки. Вот к какому заключению пришел Цвикки: количество света в скоплении Кома не соответствует гравитационным силам, которые не позволяют галактикам разлететься. Такого же мнения придерживалась Рубин относительно вращающихся галактик: света недостаточно для создания гравитационных сил, позволяющих звездам оставаться на своих местах. Но наряду с этим Рубин заметила еще и необычное поведение невидимой материи: она протягивается дальше обычной, а значит, тут явно что-то новое и неизведанное. И объяснить все тем, что астроному просто не удалось сопоставить видимый свет и количество материи, не получится. Судя по всему, эта дополнительная материя, похоже, распределяется иначе, совсем не так, как видимые звезды.

Обратите внимание — я говорю «вращающиеся галактики», а не «Млечный Путь», хотя он, по сути, и есть ближайшая к нам Галактика. Все дело в том, что Рубин нашу собственную Галактику не рассматривала, но она изучала многие другие галактики подобного типа. Млечный Путь изучать сложно, причем именно потому, что мы сами находимся внутри него. Это все равно что описывать, как выглядит дом, довольствуясь лишь видом из кухонного окна. Довольно непросто. Гораздо легче будет описать дом напротив, ведь его нам прекрасно видно.

Длинные плоские кривые вращения

Часто, говоря об исследованиях Рубин, упоминают «плоские кривые вращения», поскольку, согласно исследованиям, скорость вращения остается примерно одинаковой при движении наружу в спиральных галактиках.

Современные измерения кривой вращения галактики М33 (Галактики Треугольника). Точки показывают измеренные скорости на различных расстояниях от центра галактики. Пунктирная линия показывает, какими были бы наши измерения, если бы на силы тяжести действовала исключительно видимая материя.

Назвать изучение кривых вращения делом легким язык не поворачивается. Еще труднее было раздобыть точные и адекватные данные, чтобы вывод об удивительно быстрых звездах на периферии в спиральных галактиках нельзя было списать на неточности. Поэтому, как это обычно и случается, открытие произошло не в тот момент, когда ученый воскликнул: «Эврика!» Вывод, напротив, постепенно сам просачивался наружу, словно запах гнили из-под пола в ванной. И, подобно запаху гнили, плоские кривые вращения тянули за собой неприятную правду: галактики сложнее, чем мы предполагали, а созданные нами модели не соответствуют реальности.

Еще в 1939 году другой астроном, Хорее Бэбкок (1912–2003), наблюдал за причудливыми плоскими кривыми вращения нашей соседней галактики Андромеды. Но он списал удивительные результаты на неточности в наблюдениях. И получается, что возможность сделать научный прорыв просто-напросто угодила в мусорное ведро лишь из-за того, что Бэбкок не осмелился серьезно отнестись к своим предположениям.

А еще Андромеда стала первой вращающейся галактикой, к изучению которой приступила Рубин. В 1970-х наблюдения были расширены за счет некоторых других вращающихся галактик. И в то же время темой заинтересовались и другие ученые, измерившие скорости газа за пределом самых крайних звезд галактического диска. Практически все исследования двигались в одном направлении. В сводной статье 1980 года Рубин и соавторы заявляют следующее: «Неизбежный вывод состоит в том, что несветящаяся материя существует и за пределами оптической галактики». Таким образом, невидимая материя существует и за пределами той части галактики, которую мы видим, а видимая «двойная глазунья» позволяет нам рассмотреть лишь небольшую часть всего, что обитает в нашей Галактике.

2.8. Звездный патруль

Почему же именно Вере Рубин удалось так точно измерить кривые вращения галактик? В первую очередь, потому что она с невероятным мастерством и терпением провела ряд наблюдений, не сомневаясь в успехе. Другой важной предпосылкой успеха Рубин было ее сотрудничество с астрономом и разработчиком техники Кентом Фордом (род. в 1931 г.), также ставшим соавтором всех научных статей Рубин о кривых вращения. Форд разработал очень точный спектрограф — прибор того же чипа, что изобрел и использовал в XIX веке для исследования строения Солнца и других звезд Иозеф Фраунгофер. Л при измерении скорости звезд без спектрографа не обойтись.

Да и к тому же измерения скоростей звезд в галактиках лежат в основе открытий не только Рубин, но и Фрица Цвикки, который обнаружил темную материю в скоплениях галактик, изучая скорости их движения.

Но каким же образом Цвикки и Рубин измеряли скорости звезд? Да точно так же, как патрули ДПС измеряют скорость безответственных водителей на дорогах, — используя эффект Доплера.

Скорость и эффект Доплера

Эффект Доплера возникает, когда некий движущийся объект излучает волны. Пожалуй, наиболее очевидный пример из повседневной жизни — это звук проезжающей мимо полицейской машины. Высокий тон «виу-виу-виу» приближающейся сирены и резкий переход к гораздо более низкому, когда она совсем близко, «ВУИ-ВУИ-ВУИ», — и так до тех пор, пока машина не отдалится.

Эффект Доплера касается всех типов волн, в том числе звуковых и световых. Причина эффекта заключается вот в чем: источник волн — в данном случае полицейская машина — движется по направлению к приемнику звука, в данном случае вашему уху. От частоты волн зависит, насколько высоким кажется тон. Частота волн показывает, сколько волн достигают уха каждую секунду: высокая частота дает высокий тон, низкая частота — низкий тон.

Скорость звуковой волны в воздухе на поверхности Земли составляет примерно 340 метров в секунду, и она неизменна вне зависимости от частоты волн. Следовательно, у высокочастотных волн расстояние между каждой новой волной меньше, чем у волн более низкой частотности. Расстояние между двумя следующими друг за другом волнами называют длиной волны. Мы уже упоминали понятие длины волны, когда говорили о световых волнах. И длина волны, и частота — это термины, актуальные для всех видов волн, будь то свет, звук или волны на воде.

Когда сирена двигается в вашем направлении, то каждая новая волна будет все ближе к вам. Таким образом, расстояние между волнами (длина волны) будет меньше, если сравнивать с неподвижной сиреной. Чем короче длина волны, тем выше частота и звонче тон. Соответственно, когда сирена удаляется от вас, она перемещается немного дальше с каждой новой излучаемой волной. Следовательно, расстояние между волнами увеличивается, частота становится ниже, а тон воспринимается как более басистый.

Эффект Доплера для звуковых волн. Человек справа будет слышать более короткие волны и более высокий тон, чем. человек слева.

Свет — это тоже волны, а поэтому подвержен эффекту Доплера. Если источник света двигается к нам, волна немного укорачивается, а если, наоборот, удаляется, волна удлиняется. Что касается света, мы воспринимаем разные длины волн как разные цвета. Из воспринимаемых нашими глазами цветов у красного самая большая длина волны, у синего — самая маленькая, а между ними располагаются все цвета радуги.

В кругах физиков хорошо известен анекдот об одном парне — назовем его Доплером, — который проехал перекресток на красный свет, и его остановил грубоватый полицейский:

— Вы что, не видели, что едете на красный?

— Извините, должно быть, я ехал настолько быстро, что красный свет казался зеленым.

Ну и дела! Могло ли это и впрямь оказаться правдой? Зеленый свет имеет более короткую длину волны, чем красный, поэтому, если Доплер ехал достаточно быстро, в принципе ничто не мешало ему воспринимать красный свет как зеленый. Однако если вдуматься, становится ясно: чтобы красный свет показался Доплеру зеленым, ему пришлось бы ехать с совсем уж невероятной скоростью — 200 миллионов километров в час. С такой скоростью можно обогнуть Землю менее чем за секунду. Так что Доплеру же лучше, если полицейский ему не поверит.

Получается, нужно разогнаться до нечеловеческих скоростей, чтобы ощутить четкий эффект Доплера на световых волнах, однако для звуковых волн достаточно и скорости автомобиля. Причина такой разницы в том, что свет и звук перемещаются с абсолютно разными скоростями. Действие эффекта Доплера зависит от того, насколько быстро движется источник волн по сравнению со скоростью самих волн. Как мы помним, звуковые волны на поверхности Земли перемещаются с вполне адекватной скоростью — 340 метров в секунду. Световые же волны распространяются со скоростью 300 000 километров в секунду (3–10^8 м/с). Поэтому нет ничего удивительного в том, что эффект Доплера не особо впечатляет, когда дело касается света и обычных скромных скоростей.

Для таких астрономов, как Фриц Цвикки и Вера Рубин, эффект Доплера при измерении скоростей был незаменим. Ключевая разница между движением автомобиля и космических тел, естественно, заключается в том, что звезды и галактики гораздо быстрее. Кроме того, с помощью измерительных приборов можно уловить крошечные изменения цвета, которые не различит даже самый опытный художник.

Чтобы измерить, насколько быстро звезда или галактика движутся к нам или от нас, достаточно измерить, насколько изменилась длина световых волн из-за эффекта Доплера. Измерить длины волн, достигших Земли, относительно просто. Но, чтобы найти изменения в длинах волн, нам также нужно знать, какая длина волны была бы у света, если бы источник не двигался. Как же ее вычислить? Мы ведь не можем приказать звезде и уж тем более галактике остановиться, чтобы измерить первоначальную длину волны.

Стоящие у обочин посты ДПС, ловящие лихачей, справляются с этой проблемой, излучая свою собственную волну. Для этого они используют радиолуч с определенной длиной волны. Достигнув машины, луч отражается от нее, но уже смещенный эффектом Доплера на другую длину волны, которая зависит от скорости автомобиля. В итоге, сравнивая длину волны излученную и принятую, прибор может определить скорость автомобиля.

Конечно, создать луч, который будет отражаться от отдаленных звезд и галактик, не представляется возможным. Астрономам могут помочь спектральные линии уже известных веществ.

Как мы упоминали ранее, рассказывая о философе Конте и пионере спектроскопии Фраунгофере, все газы имеют уникальные «отпечатки пальцев», а именно особые длины волн, или цвета. Наблюдая за светом звезд или галактик отсюда, с Земли, мы часто замечаем смещение всех спектральных линий. Если они смещены в сторону более коротких волн, то мы называем такое смещение синим. Свет с синим смещением означает, что источник излучения движется к нам. Если же спектральные линии смещены в сторону более длинных волн, мы получаем красное смещение. Значит, объект, излучающий свет, удаляется от нас. Чем больше красное или синее смещение, тем выше скорость движения объекта.

Спектроскопия и измерение синего или красного смещения — весьма надежный и точный способ измерения скоростей, и именно этим методом пользовались как Цвикки, так и Рубин при измерении скорости движения галактик и звезд. Чтобы измерить расстояние до отдаленных слабых источников света, необходим хороший спектрограф. Использование очень точного спектрографа, разработанного Кентом Фордом, сыграло решающую роль при выполнении точных измерений, благодаря которым Вера Рубин пришла к выводу, что галактики вращаются не так, как им следовало бы. Пример Рубин и Форда — один из тех невероятных случаев, когда сочетание смелых мыслей, навыков и новых точных технологий привело астрономию к великим открытиям.

2.9. Так где же скрывается эта темная материя?

В самом начале книги я утверждал, что во Вселенной темной материи примерно в пять раз больше, чем обычной. Возникает вполне естественный вопрос: почему в нашей жизни здесь, на Земле, мы не замечаем ничего, связанного с темной материей? Да, темная материя невидима, но ее гравитационное воздействие мы бы ощутили, хотя в повседневной жизни и не обращаем особого внимания на гравитацию. Когда мы подпрыгиваем вверх и снова опускаемся на землю, то происходит это исключительно под воздействием видимого вещества Земли. Иными словами, вряд ли на Земле есть темная материя. А как быть с Солнечной системой? Может, в ней имеются целые планеты-гиганты из темной материи? Не-а. Планеты притягиваются друг к другу под воздействием гравитации, и в этом легко убедиться, изучив их движение. Здесь нет даже намека на огромные невидимые планеты. Но Вера Рубин нашла большое количество темной материи во вращающихся галактиках, и, хоть Млечный Путь она не изучала, другие ученые его не игнорировали. Все указывает на то, что у Млечного Пути такие же странные плоские кривые вращения, как у других спиральных галактик, а неестественно большие скорости звезд на периферии свидетельствуют о том, что и в нашей Галактике должно быть много темной материи. Так где же она скрывается?

Темная материя, которая не хотела быть глазуньей

Главное преимущество открытия Рубин заключается в доказательстве того, что недостающая материя в спиральных галактиках распределена совсем не как обычная видимая. Обычное вещество мы представили в форме двойной глазуньи. Чтобы можно было объяснить высокие скорости звезд на периферии и плоские кривые вращения, невидимая материя должна распространяться намного дальше, чем видимая. Мы сунули эти наблюдения в кастрюлю вместе с теорией и методами компьютерного моделирования, вскипятили и перемешали все вместе, получилась современная стандартная модель спиральных галактик. В этой модели двойная глазунья видимого вещества расположена в центре огромной сферической области темной материи, называемой гало. Этот ореол темной материи находится в области, в несколько раз превышающей диаметр видимой глазуньи.

Продолжая наши кулинарные аналогии, мы можем, таким образом, представить двойную глазунью, плавающую посреди гораздо более широкой, но неглубокой тарелки супа из темной материи. В середине супа из темной материи плотность наивысшая, а потом, если двигаться к краям, она постепенно снижается. Мы также считаем, что суп из темной материи одинаковой консистенции и в нем нет даже малюсеньких комочков. Следовательно, ни о каких звездах из темной материи и речи не идет.

Мы полагаем, что двойная глазунья из Млечного Пути находится в самом центре еще более обширного гало темной материи.

Модель супа с глазуньей хороша тем, что способна объяснить плоские кривые вращения. Модель так хорошо прижилась именно благодаря логичности на теоретическом уровне. Хотя это, возможно, и неочевидно. Разве могут как видимая, так и темная материи взаимодействовать гравитационными силами, так что при этом одна группируется в звезды и планеты, а другая — нет? Давайте-ка вспомним, как появляются галактики и звезды.

Рождение галактики

Уже готовые галактики не возникли сами собой вместе со Вселенной: галактики формировались по мере ее роста и взросления. Так как же рождались галактики?

Понадобится облако газа. Громадное газовое облако. Но этот газ не просто вещество, а смесь обычной и темной материй. Не исключено, что там уже даже несколько звезд образовалось. Но это, скорее, не плотное облако, а огромная область во Вселенной, в которой газ немного плотнее, чем в прилегающих областях. У этого газового облака есть масса. Следовательно, и гравитация там присутствует, а значит, гравитационные силы рано или поздно начнут сжимать облако. Сначала медленно, а потом все быстрее и быстрее. А что происходит после?

Начнем с обычной материи. По мере того, как облако становится меньше и плотнее, частицы обычного вещества начинают сталкиваться. В конечном счете столкновения заставят сжатие притормозиться, прямо как яблоко Ньютона, которое сначала замедлилось, а потом и вовсе остановилось, коснувшись земли. Если в самом начале наше облако хоть чуточку вращалось, то теперь это вращение будет усиливаться по мере увеличения сжатия, совсем как фигурист, прижавший руки к телу, чтобы кружиться еще быстрее. Вращение заставляет обычное вещество сжаться в форму диска — белок нашей двойной глазуньи.

А как в газовом облаке поведет себя темная материя? Точно так же, как то ньютоновское яблоко из темной материи, коснувшись земли. Темная материя не сталкивается и не замедляется. Если яблоко из темной материи пролетело сквозь Землю и вернулось обратно, то и темная материя будет двигаться по галактике, но частью нашей сжатой яичницы не станет. Поэтому видимая двойная глазунья и остается в середине жидкого супа из темной материи.

То, как рождаются звезды и планеты, очень похоже на формирование галактик, разве что размах поменьше: газовое облако сжимается, а столкновения приводят к замедлению вещества и рождению звезд, в нашем случае — Солнца. Эффект фигуриста заставит все это вращаться, и в диске, который возникает вокруг звезды, в конце концов сформируются планеты из сталкивающегося вещества.

Очевидно, что столкновения играют не последнюю роль как в образовании галактик, так и звезд. Плотные неровные структуры, такие как галактики и планетные системы, образуются в результате взаимодействия между гравитацией, которая сжимает вещество, и столкновениями, замедляющими сжатие. Когда гравитация влияет на темную материю, та сжимается и образовывает области с наибольшей концентрацией. Темная материя скапливается как вокруг галактик, так и вокруг скоплений галактик, а около центров галактик темной материи больше, чем на краях. Поскольку темная материя не сталкивается, она никогда не образует таких же плотных структур с комками, как обычное вещество.

Темной материи в нашей Галактике гораздо больше, чем материи видимой, однако темная очень тонко распределена по Вселенной. Еще с начала книги мы знаем о расстояниях между звездами в Млечном Пути: кокос в Осло, грецкий орех в Сахаре и так далее, а это означает, что места для темной материи предостаточно. Конечно, какое-то количество темной материи есть и в Солнечной системе, но, по сравнению с огромным массивом обычного вещества, количество темной материи здесь неуловимо мало. Тем не менее на Земле, например, всегда будет немного темной материи. Плотность темной в наших краях неизвестна, но на весь объем Земли приходится примерно полкилограмма темной материи. В итоге получается, что, хоть во Вселенной и содержится около пяти килограммов темной материи на каждый килограмм обычной, на Земле эти материи поменялись ролями.

2.10. Невидимая физика

Мы уже рассмотрели три примера свойств Вселенной, которые затруднительно объяснить без темной материи. Сначала Пуля (два сталкивающихся скопления галактик). Затем быстрые галактики в скоплениях галактик — явление, впервые описанное Фрицем Цвикки в 1930-х годах. И, наконец, вращающиеся спиральные галактики и открытия Веры Рубин в 1970-х.

Благодаря двойной глазунье в супе мы познакомились с галактиками. Но главное блюдо мы оставили на потом. Основной индикатор существования темной материи — это, по моему мнению, так называемое реликтовое излучение. Это излучение представляет собой микроволны, возникшие сразу после Большого взрыва, задолго до образования первых звезд и галактик. По сути, это излучение Большого взрыва, которое сегодня является основным двигателем для наших постоянно растущих знаний о Вселенной.

Большие и маленькие числа

Мы уже встречали несколько чисел, записанных в виде степени десяти, например 10^8. До сих пор эти числа сопровождались пояснениями. С этого момента эти степени будут появляться без дополнительных объяснений. Вот памятка для тех, кто пустил школьный курс математики на самотек.

Большие числа: 10^8 (десять в восьмой степени) — это то же самое, что единица и восемь нолей позади. Получается, показатель степени 8 говорит о количестве нолей после единицы.

Маленькие числа: степени применимы и для небольших чисел. Но в этом случае используется знак «минус» перед показателем степени. Например, 10-8 равнозначно 1/10^8 или 0,00 000 001. Таким образом, отрицательный показатель степени указывает нам, через сколько знаков после запятой стоит число 1.

Мы уже заметили, как способность темной материи не сталкиваться становится определяющей, например, для Пули или для кривых вращения Рубин. Это свойство также будет решающим для понимания реликтового излучения. Но вот причины, по которым темная материя не сталкивается, мы еще не обсуждали. Перед тем, как приступить к реликтовому излучению, сделаем-ка небольшой экскурс в физику невидимости. Ведь чуть позже мы убедимся, что невидимость и отсутствие столкновений — это две стороны одной медали.

Электрическая видимость

Почему что-то невидимо? Или наоборот: почему обычная материя видима? Почему вы видите книгу, которую держите в руках? И почему книга может просто лежать на столе, несмотря на гравитационные силы, которые постоянно тянут ее вниз? И на все эти вопросы ответ один: электрические заряды. Разница между видимой и невидимой реальностью — то же самое, что разница между частями мира с электрическими зарядами и без них.

Во время разговора об электричестве трудно не упомянуть его любимого брата-близнеца — магнетизм. Оба явления тесно взаимосвязаны. Например, если у вас на велосипеде динамо-машина, то колесо велосипеда заставит магнит вращаться. Так вращающийся магнит образует электрический ток, из-за которого загорается фонарь велосипеда. Мы можем пойти и другим путем и использовать электрический ток для создания магнетизма. Это применяется, например, в электромагнитах, которые, в частности, используются в больничных аппаратах МРТ. Их катушки под огромным напряжением создают мощнейшие магнитные поля. Итак, есть электричество — будет и магнетизм, и наоборот. Тогда, возможно, не так уж и странно, что физики используют такие термины, как электромагнетизм, электромагнитное излучение и так далее.

Во всех электромагнитных явлениях центральное место занимают электрические заряды.

Электрические заряды

Электроэнергия влияет на все, что содержит электрические заряды. А что такое электрический заряд? Ну, это свойство, которым обладает частица под влиянием электричества. Хм… какой-то замкнутый круг выходит. Давайте разберем аналогичную ситуацию.

Сила тяжести влияет на все объекты с массой (ее мы измеряем в килограммах). И масса — это то самое качество, которым обладает частица, если на нее влияет сила тяжести (по крайней мере в повседневной физике). Таким образом, масса — это своего рода гравитационный заряд, а значит, объект «соединяется» с гравитацией. Таким же образом электрический заряд заставляет что-либо соединяться с электричеством.

Самая известная электрически заряженная частица — это электрон. Когда мы с помощью электричества включаем свет или чистим зубы, именно движение электронов мы и используем. И когда небо разрывается от мощного удара молнии, то виной всему электрические заряды, а точнее, поток электронов между грозовой тучей и землей.

У электронов так называемый отрицательный электрический заряд. А самая известная частица с положительным электрическим зарядом — протон. Протон ровно настолько же положителен, насколько отрицателен электрон, поэтому если взять комок с равным количеством протонов и электронов, то его общий электрический заряд будет нулевым. Тогда мы скажем, что он нейтральный.

Большинство окружающих нас в обычной жизни предметов относительно электрически нейтральны. Вот в человеке, например, более 10^28 электронов — число, сравнимое с количеством песчинок в Сахаре. Но когда этим электрическим зарядам составляет компанию равное число положительно заряженных протонов, в результате получается электронейтральный человек. И книга в ваших руках, и птицы на крыше электрически нейтральны, и большинство исследований подтверждают, что наша Вселенная в целом электрически нейтральна. Таким образом, и в человеке, и в книге, и во Вселенной примерно одинаковое количество положительно и отрицательно заряженных частиц.

Воздушные шары и электрические лунные коровы

Чтобы хорошенько разглядеть электрические заряды, придется добраться аж до атомного уровня. Атом состоит из положительно заряженного ядра, в котором находятся протоны и электрически нейтральные нейтроны. А вокруг ядра — облако отрицательно заряженных электронов. В нейтрально заряженном атоме количество электронов в электронном «облаке» равно количеству протонов в ядре.

Когда атомы объединяются и образуют структуры, такие как молекулы, книги и планеты, то именно электронные облака различных атомов не дают им развалиться. Электроны в одном атоме притягиваются к положительно заряженному ядру другого атома, тем самым их связывая. Таким образом, в нашем структурированном мире никак не обойтись без электрического заряда.

Между электрическими зарядами действуют определенные силы. Одинаковые заряды отталкивают друг друга, а разные — притягивают. Таким образом, если взять два шарика с избытком электронов, то они будут отталкиваться, а если один шар будет с избытком электронов, а другой с избытком протонов, то они будут притягиваться друг к другу. Действие этого эффекта можно оценить, если потереть волосы о праздничные воздушные шары, чтобы те прилипли к потолку. Разные материалы, такие как волосы и резина, обладают разной способностью удерживать электроны, и, когда вы трете воздушный шар о волосы, некоторые электроны из волос будут перемещаться к воздушному шару. В таком случае воздушный шар получает отрицательный заряд, а волосы — положительный. Волосы и воздушный шарик будут притягиваться друг к другу, и вы сделаете прикольную прическу в стиле «безумный профессор». Если вы поднесете воздушный шар к потолку, электроны там будут отталкивать отрицательно заряженный шар. Получается, потолок около шарика получит небольшой положительный заряд. Потолок и шарик будут притягивать друг друга, и шарик там так и останется. А если поднести два натертых о волосы шарика на разных ниточках близко друг к другу, то они будут отталкиваться, так как у обоих отрицательный заряд.

Воздушные шарики иллюстрируют, как работает электроэнергия, однако нам все же еще не совсем понятно, насколько она могущественна. Количество электронов, перешедших от ваших волос к воздушному шару, относительно мало, неужели этой энергии достаточно, чтобы удерживать шарик под потолком? И насколько влиятельными бывают силы между электрически заряженными объектами? И что произойдет, если мы заменим воздушные шары Луной и Землей?

Луна обращается по околоземной орбите. Благодаря силам притяжения Земли, Луна, несмотря на свою огромную скорость, не улетает в космос, а остается на своей орбите. В качестве мысленного эксперимента примерьте на себя роль космического Деда Мороза, который раздает дополнительные электроны небесным телам. Не скупясь, вы протягиваете мешок электронов Земле и точно такой же — Луне. Таким образом, отрицательные электрические заряды будут способствовать взаимному отталкиванию Земли и Луны. Однако сила тяжести никуда не делась, поэтому планета и спутник продолжают притягивать друг друга. Насколько большими должны быть мешки с электронами, чтобы электрические силы преодолели силы гравитации и оттолкнули Луну от Земли? Оказывается, хватит и 350 кг лишних электронов. Для сравнения: все электроны на Земле вместе весят столько же, сколько вся вода Мирового океана, так что это и вправду немного.

Получается, что электроны, соответствующие массе двух коров, мощнее, чем гравитационные силы, связывающие Луну с Землей. Но гравитация все же контролирует движения между небесными телами, и происходит это из-за того, что они на самом деле электрически нейтральны. В Земле и Солнце, в астероидах, далеких звездах и огромных галактиках электронов примерно столько же, сколько протонов.

2.11. Связывающие нас заряды

Электромагнитное взаимодействие играет важную роль даже в жизни электронейтральных людей и коров. Во-первых, электроэнергия — это то, что связывает вещество в структуры и делает нас людьми, а, например, книгу — книгой, а не просто грудой неупорядоченных частиц. К тому же сталкиваемся мы именно благодаря электроэнергии. А столкновение — процесс важный. Вспомните, как из-за столкновений между частицами газа и пыли во Вселенной рождаются звезды и планеты.

Представьте, что вы вышли на тротуар и подпрыгнули. Сначала вы двигаетесь вверх, но гравитация тянет вас вниз. Через десятую долю секунды вы уже достигнете верхней точки и начнете снова опускаться на землю. Вы приближаетесь к тротуару со все возрастающей скоростью. И как только ваша обувь касается асфальта, вы останавливаетесь. Вы столкнулись с асфальтом. Электроны в подошве вашей обуви сталкиваются с электронами в асфальте, и отталкивающие силы между электронами заставляют вас остановиться. И когда вы чувствуете, что снова стоите на земле, вы буквально парите на подушке отталкивающих электрических сил.

А что бы произошло, если бы нам на мгновение удалось отключить электрические силы в вашем теле, пока вы стояли на тротуаре? Первым делом вы бы распались на части. Впрочем, давайте все же представим, что вашим клеткам каким-то магическим образом удалось удержаться вместе. Да, тогда вы бы провалились сквозь асфальт, к самому центру Земли и танцевали бы между южной частью Тихого океана и Норвегией, точно так же, как то ньютоновское яблоко из темной материи. Провалиться под землю ни вам, ни обычному яблоку не дают электрические заряды.

Так что стоит быть готовыми к следующему утверждению: темная материя не сталкивается, потому что не содержит электрических зарядов. Поэтому и просто на полу она валяться не будет. Из этой материи не образуются книги, люди, лоси или планеты. Получается, мир темной материи, грубо говоря, неосязаем.

Отсутствие электрических зарядов — это причина не только неосязаемости темной материи, но и ее невидимости. Почему? Придется сначала разобраться с понятиями видимости и света.

Свет и электромагнитные волны

Когда мы что-то видим, будь то корова или далекая галактика, происходит это благодаря тому, что свет достигает наших глаз. Но что же такое свет?

Видимый свет — малая часть явления, которое мы называем электромагнитными волнами. Эти волны перемещаются в пространстве со скоростью света. Мы замечаем световые волны, когда они достигают наших глаз, но видим мы далеко не все волны. Частенько мы можем не разглядеть световые волны, которые гуляют прямо у нас под носом, стремятся к чьим-то еще глазам или даже стене, дереву или горе. Чтобы лучше понять природу световых волн, нужно сначала взглянуть на наиболее привычные нам волны — те, что можно наблюдать на воде.

Меня трудно назвать бывалым моряком, но при мысли о волнах я всегда вспоминаю о прекрасном озере Мьёса. Представьте себе, что сейчас чудный летний день и неподвижная водная гладь улыбается вам. Как создать волны на воде? Допустим, вы используете типично норвежский прием и создадите волны так: зайдете по пояс в воду и начнете опускать в воду мяч, а потом снова вытаскивать. От мяча будут расходиться отличные круговые волны. Если вы зануда, то станете бросать и поднимать мяч с особым ритмом, похожим на азбуку Морзе.

Погружение мяча в воду — хорошая аналогия с электромагнитными волнами. Здесь пляжные мячи играют роль электрических зарядов, а волны в воде можно сравнить с электромагнитными волнами.

На пляж вы пришли со знакомым и в этот чудесный день ваш спутник или спутница тоже играет в воде в собственный надувной мяч. Через какое-то время волны от вашего мяча доходят до этого знакомого. Он не без удивления обращает внимание, что эти волны касаются и его мяча. Мяч опускается и приподнимается в том же ритме, который вы создали, поэтому приятель сразу же обращает внимание на послание, зашифрованное в волнах. После интерпретации сообщения друг в ответ окунает свой мяч в воду, так что новое волновое сообщение начинает двигаться к вам. Добравшись до вашего мяча, волны примутся раскачивать его и передадут вам ответное сообщение.

Настало время покинуть нашу парочку. Не станем расшифровывать переданные морзянкой сообщения. А урок из этой истории извлечем следующий: раскачивая мяч, можно создать волны, которые в свою очередь раскачают другой надувной мяч. Впечатлились? Не особо? Тогда давайте сравним волны на озере со световыми волнами.

Электромагнитные волны, а соответственно, и свет работают по тому же принципу, что и волны на озере, с одной лишь разницей — вместо мячей и воды в игру вступают электрические заряды и электромагнитные волны соответственно. Если вы возьмете электрический заряд, такой как электрон, и немного встряхнете его (или станцуете буги-вуги), электрон испустит электромагнитные волны. И если колебания пляжного мяча создают волны в воде, то колебания электрона создают волны в электрических и магнитных полях.

Полях? Да, электромагнитные поля — это основная концепция, на которой основываются понятия света, видимости, невидимости, сталкивающихся яблок и галактик. А поле-то, собственно говоря, — это, вообще, что такое? Термин «поле» встречается во многих областях физики, и не только когда речь идет об электромагнетизме. Например, мы часто говорим о полях тяготения, или гравитационных полях. Если книга находится в гравитационном поле, это означает, что на нее будут действовать гравитационные силы. В определенной точке комнаты, например на столе перед вами, гравитационное поле будет иметь определенное направление и силу, а в другой точке оно может вести себя иначе. То же самое с электрическими и магнитными полями. Возле магнита будет магнитное поле, а около электрического заряда имеется поле электрическое.

Вокруг потертого о волосы шарика образуется электрическое поле, но увидеть мы его не в силах. А откуда же мы тогда знаем, что оно существует? Поместим в одной точке положительно заряженную частицу, чтобы впоследствии наблюдать, с какой силой и в каком направлении ее тянет. Если поместить положительный заряд рядом с отрицательно заряженным шариком, который потерли о волосы, то мы увидим, что он притягивается прямо к шарику. Направление заряда можно использовать для определения направления электрического поля. Кроме того, видно, что сила притяжения, а значит, и поле тем сильнее, чем меньше расстояние между положительным зарядом и воздушным шаром.

Как уже упоминалось, свет и все другие формы видимости существуют благодаря электрическим и магнитным полям. Однако электрическое поле вокруг воздушного шара невидимо. Чтобы поля были видны, они должны начать раскачиваться назад и вперед и создавать волны. И как этого добиться?

Допустим, вам удалось взять в руку один электрон. Представьте, что вы держите его на расстоянии вытянутой руки, на уровне глаз. Потом вы начинаете раскачивать электрон вверх и вниз, очень быстро. Что тогда будет с электрическим полем?

Давайте посмотрим на электрическое поле в том месте, где изначально находился электрон, прямо перед вашими глазами. Когда вы перемещаете электрон выше, электрическое поле будет направлено вверх, к электрону. Когда электрон перемещается ниже уровня глаз, поле будет направлено вниз. Встряхивание электрона создаст поле, направленное попеременно то вверх, то вниз.

Похоже на ситуацию на озере Мьёса? Надувной мяч нырял и выныривал, а на воде появлялись волны. Теперь электрон ныряет и выныривает и мы получаем волны в электрическом поле. И не только. Мы уже знаем, что электричество порождает магнетизм и наоборот. В случае со встряхнутым электроном волны электрического поля также будут формировать волны магнитного поля. В итоге мы получили то, что принято называть электромагнитной волной, и она движется в пространстве со скоростью света.

Впервые электромагнитные волны описал шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл. В 1860-х годах он обобщил все, что мы знали об электричестве и магнетизме, в виде набора математических уравнений, которые сегодня мы называем уравнениями Максвелла. В уравнения были включены уже известные законы, показывающие, как электричество преобразуется в магнетизм и наоборот. Основываясь на этих уравнениях, Максвелл доказал существование электромагнитных волн и рассчитал, что они будут двигаться в пространстве со скоростью, почти полностью соответствующей скорости света. Вот к какому выводу он пришел:

Соответствие между результатами указывает на то, что свет и магнетизм являются проявлениями одного и того же вещества и что свет — это электромагнитная помеха, которая распространяется через поле в соответствии с электромагнитными законами.

Иначе говоря, электромагнитные волны и свет — это одно и то же. Получается, при встряхивании электрон тоже будет излучать свет. Но того, что свет излучается, недостаточно. Глаз должен обладать способностью воспринимать этот свет. Каким образом это происходит?

И снова на ум приходит надувной мячик и волны на озере Мьёса. Эти волны заставляли надувной мяч вашего друга раскачиваться вверх-вниз. Электромагнитная волна, исходящая от встряхнутого электрона, ничем не отличается от волны обычной. Через несколько наносекунд после того, как электрон испускает световую волну, часть света достигает ваших глаз. Поскольку глаз состоит из обычного вещества, он содержит электрические заряды. Когда световые волны, таящиеся в раскачивающемся вверх-вниз электрическом поле, достигают ваших глаз, электрические заряды в глазу тоже начинают двигаться вверх-вниз. А это в свою очередь уже отправит в ваш мозг электрический сигнал об обнаружении света.

Подведем итоги: если объект содержит электрические заряды, он может излучать и улавливать электромагнитные волны. И наоборот, объект, не содержащий электрических зарядов, не излучает электромагнитные волны и не улавливает их. Электрические заряды, благодаря которым состоящие из обычного вещества объекты сталкиваются, также делают эти же объекты видимыми. Электрические заряды отвечают как за свет, так и за столкновения. Именно электрические заряды делают обычную материю обычной.

2.12. Реликтовое излучение

Когда раскачивающиеся электрические заряды излучили свет, тот может путешествовать бесконечно долго. Существуют электромагнитные волны, странствующие по Вселенной с самого ее рождения. Такие волны дальнего плавания называют реликтовым излучением, или космическим микроволновым фоновым излучением. Это очень важное излучение. Осмелюсь даже утверждать, что на сегодня это наш самый важный источник знаний о Вселенной. Если бы у нас не было кривых вращения Рубин, скоплений галактик Цвикки, гравитационных линз или любого другого признака темной материи, космическое фоновое излучение все же дало бы нам более чем достаточно оснований для выводов о существовании темной материи и о том, что ее гораздо больше, чем материи обычной. Кроме того, это микроволновое излучение говорит нам гораздо больше, например, о том, что Вселенная началась с Большого взрыва.

Настало время реликтовому излучению предстать перед нами во всем своем электромагнитном великолепии. Начать историю о реликтовом излучении можно по-разному. Но мы перенесемся на 50 лет назад и перелетим на другой берег Атлантики.

Когда Большой взрыв добрался до вершины холма в Нью-Джерси

1964 год, мы находимся в Соединенных Штатах, а именно в Холмдейле, немного южнее Нью-Йорка. США вот-вот упадут к ногам четверых относительно смазливых англичан, а такие беззаботные песни о любви, как I Want to Hold Your Hand и Can’t Buy Me Love, заставят американскую молодежь подпевать и танцевать твист.

На юг летят два голубя. Кажется, они стремятся к какой-то цели, и, если проследить за ними, мы увидим, что птицы начинают кружить над небольшой, заросшей травой вершиной холма Кроуфорд-Хилл. На вершине возвышается огромное устройство в форме рупора. Рупор размером с дом и похож на гигантский рог из фантастического фильма: «БАМ, БА-AM! Дракон идет!» — как-то так. Но нет. Это устройство — сверхчувствительная рупорная антенна, и принадлежит она лаборатории Белла (исследовательскому центру Bell Labs) в паре километров отсюда. До недавнего времени в рупоре жили эти два голубя. Там они свили гнездо и собрались создать воркующую голубиную семью. Но это было до того, как появились два молодых астрофизика — Арно Пензиас и Роберт Уилсон.

Изначально рупорная антенна была построена в рамках крупного проекта по тестированию первых, примитивных спутников связи, но впоследствии ее исключили из этого проекта и Пензиасу и Уилсону разрешили использовать антенну для самого прекрасного, что только есть на этом свете, — изучения астрономии.

Два астронома собирались осуществить исключительно точные измерения радиоизлучения далеких галактик. Для этого им сначала нужно было получить полный обзор всех возможных других источников радиопомех, а также ознакомиться с шумом и помехами от антенны и измерительных приборов. FM-радио, настроенное на конкретную волну, всегда дает небольшой фоновый шум, и совершенно так же астрономические приборы всегда обнаруживают шум как рождающийся внутри прибора, так и приходящий из окружающей среды.

Рупорная антенна в Кроуфорд-Хилл. Пензиас и Уилсон позируют на платформе.

Будучи амбициозными, Пензиас и Уилсон хотели в своих наблюдениях достичь небывалой прежде точности и поэтому стремились получить как можно больше данных об источниках шума. Однако к великому отчаянию молодых радиоастрономов, рупорная антенна постоянно улавливала слабый и, казалось бы, необъяснимый шум. Пензиас и Уилсон направляли антенну в самые разные стороны, даже к Нью-Йорку, чтобы посмотреть, не виноват ли большой город в радиопомехах. Несколько раз проверяли они все провода и соединения. Но тщетно. Шум не исчезал.

Тогда они и наткнулись на угнездившуюся в антенне голубиную парочку. Голуби не только свили гнездо, но еще и загадили конструкцию тем, что Пензиас впоследствии описал как «белое вещество-диэлектрик». Могли ли голуби стать причиной необъяснимых слабых радиопомех? Может, они и были своего рода вредителями и простое присутствие их паршивых перьев и остатков жизнедеятельности привело к шуму, угрожающему заглушить четкие радиосигналы далеких галактик? Как бы то ни было, голубей требовалось устранить. Их аккуратно депортировали в другую исследовательскую лабораторию в 50 километрах к северу от Кроуфорд-Хилл, где антенна блестела от чистоты. Но голуби сделали нечто очень им свойственное: полетели на юг, к своему старому дому, над домами и ритмами «Битлз», обогнули рупорную антенну на Кроуфорд-Хилле и пошли на посадку. Вскоре после этого Пензиас в одиночку устранил голубей из истории.

Так или иначе, голуби исчезли, чего нельзя сказать о нескончаемых необъяснимых радиопомехах. После года безрезультатных усилий ученые отказались от поиска известных источников докучающего сигнала. Становилось все более очевидным, что раздражающий шум имеет источник скорее астрономический, чем биологический. Напрашивался неизбежный вывод: что-то должно посылать непрерывный поток слабых-слабых радиоволн со всех уголков неба. Позже выяснилось, что это был Большой взрыв: расширение Вселенной, ее рождение. Они улавливали не голубиный помет, а реликтовое излучение.

Я уделяю так много внимания реликтовому излучению нс только потому, что оно чрезвычайно важно для нашего понимания Вселенной (совсем скоро расскажу, почему именно). Находка Пензиаса и Уилсона — красивый пример блистательного научного открытия, и на то есть несколько причин. Причина первая: ученые открыли то, чего и не искали. И это невероятно сложно, учитывая, что сигнал был совсем слабым. Причина вторая: гипотезы существования реликтового излучения уже существовали, но Пензиас и Уилсон об этом не знали. Более того, измеренное ими излучение было логически необходимым и неизбежным следствием существования Вселенной, возникшей в результате Большого взрыва.

Но почему? Тут нужен небольшой экскурс к самому рождению Вселенной.

Молодая, горячая и расширяющаяся Вселенная

На сегодняшний день практически все астрономы согласны, что концепция Большого взрыва — лучшее описание Вселенной. Грубо говоря, модель Большого взрыва гласит, что около 14 миллиардов лет назад наша Вселенная была невероятно плотной и горячей, но с тех пор расширилась и стала больше и холоднее. Если мы переместимся достаточно далеко назад во времени, поближе к Большому взрыву, то увидим Вселенную, в которой настолько жарко, что и представить невозможно, намного горячее, чем в центре Солнца. Но когда нечто является горячим, или обладает высокой температурой, — что это на самом деле значит?

Возьмем в качестве примера горячего предмета электроплиту. Она состоит из атомов и молекул. Эти атомы и молекулы никогда не стоят на месте — они вибрируют. Если включить плиту, то температура поднимется. Тот факт, что температура повышается, просто означает, что атомы и молекулы начинают вибрировать немного сильнее. Чем выше температура, тем активнее вибрация. Очевидно, что атомы и молекулы в электроплите состоят из обычного вещества и содержат электрические заряды.

И когда электрические заряды вибрируют, они излучают электромагнитные волны. Чем выше температура, тем быстрее вибрация. Чем быстрее вибрация, тем короче электромагнитные волны. Холодная плита излучает волны в инфракрасной части спектра, то есть волны, чересчур длинные для восприятия нашими глазами. Но, если вы нагреете плиту достаточно сильно, она начнет светиться красным. Горячие массивные атомы и молекулы станут излучать больше коротковолнового видимого света. И если вам удастся нагреть плиту еще сильнее, то в конечном итоге она будет излучать голубоватый свет, то есть еще более короткие волны. Впрочем, тут полагается сказать: «Трюк выполнен профессионалами, не пытайтесь повторить это дома».

Так что давайте вместо поджога кухни проведем небольшой мысленный эксперимент. Представим, что мы бензопилой отрезали от плиты конфорку и отправили ее на машине времени назад к рождению Вселенной. Сегодняшняя Вселенная холодная, и плита в свободном плавании излучала бы длинные микроволны. Но по мере приближения к Большому взрыву температура будет расти. Во Вселенной, которой около полумиллиона лет, плита станет такой же раскаленной докрасна, как в довольно рискованном эксперименте на кухне. Если мы отправим электроплиту еще дальше, то она совсем скоро посинеет от температур и испарится, превратившись в газ. В какой-то момент температура будет настолько высокой, что атомы, когда-то образовывав шие плиту, растворятся. Положительно заряженные ядра атома больше не смогут удерживать электроны. И каждый раз при попытке электрона образовать пару с ядром атома для создания нейтрально заряженного атома короткая вспыльчивая электромагнитная волна вмешивается и отбрасывает электрон в сторону.

Газ, в котором электроны и ядра атомов больше не взаимодействуют, называется плазмой. Первые 380 000 лет после Большого взрыва наша Вселенная состояла именно из такой теплой плазмы. Тогда ядра атомов наполняли легчайшие из существующих элементов: водород и гелий. Большинство других элементов вокруг нас, таких как кислород, углерод, азот и железо, образовались позже, в ядерных реакциях в звездах. Но в течение первых 380 000 лет не было ни звезд, ни галактик, ни даже атомов — только теплый суп из плазмы, а варились в нем электроны и ядра водорода и гелия.

(Первые три минуты было так жарко, что не могли существовать даже ядра атомов. Но мы вернемся к этому позже.)

Такая плазма ведет себя абсолютно не как газ. В плазме электроны в свободном плавании захватывают любую электромагнитную волну, которая пытается каким-то образом хоть куда-то пройти. Немного похоже на металлическую сетку на дверце микроволновой печи. В металле есть электроны, способные свободно перемещаться, как в плазме. Таким образом, электроны в металлической решетке смогут захватывать микроволны, чтобы те не выбрались из печи, цапнув вас за нос, пока вы наблюдаете за лопающимся попкорном. Отверстия в микроволновке сделаны так, что пройти может только видимый свет, а более длинным микроволнам никак не выбраться. В плазме молодой Вселенной все электромагнитное излучение задерживалось электронами горячей плазмы. Итак, свет не мог распространяться свободно. Получается, первые 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная была плотной и непрозрачной плазменной туманностью, а если точнее, первичной туманностью.

Но потом, спустя 380 000 лет, Вселенная охладилась достаточно для того, чтобы электроны получили возможность сливаться с ядрами атомов и образовывать стабильные изотопы. Исчезли свободные электроны, поглощавшие все электромагнитные волны. Туман рассеялся, и теперь ничто уже не стояло на пути у световых волн. Многие из этих электромагнитных волн и по сей день беспрепятственно путешествуют по Вселенной. Нас постоянно бомбардируют электромагнитные волны, образовавшиеся, когда Вселенной было всего 380 000 лет. Именно такие волны попадали в рупорную антенну в Холмдейле в 1964 году, независимо от того, куда поворачивали ее Пензиас и Уилсон. Это и было реликтовое излучение.

Если собрать реликтовое излучение со всех уголков неба, то мы увидим портрет Вселенной в младенчестве, когда ей было всего 380 000 лет.

Ну а если вы сегодня не в духе и заметите, что младенец, которому 380 000 лет — это ерунда какая-то, то не стоит забывать, что сейчас Вселенной около 14 миллиардов лет. Допустим, Вселенная сегодня — это седеющий пятидесятилетний человек. Реликтовое излучение сформировалось, когда сегодняшнему пятидесятилетнему человеку исполнилось полдня. Ну а теперь-то Вселенная уж точно не младенец.

Совсем запутались? Не вы один. С тем, что реликтовое излучение образовалось через 380 000 лет после Большого взрыва, когда первичная туманность рассеялась, мы разобрались. Возникает другой вопрос: почему это излучение доходит до нас еще и сегодня, спустя столько лет? И почему со всех сторон?

Телескопы и машины времени

Ответ на первый вопрос, почему излучение доходит до нас сегодня, заключается в том, что, наблюдая за Вселенной, мы будто мчимся на огромной машине времени. Эффект машины времени возникает из-за того, что свет, о котором идет речь, движется не бесконечно быстро. Ему требуется восемь минут, чтобы добраться от Солнца до нас, поэтому, если мы посмотрим на Солнце (не стоит, это опасно для глаз!), мы увидим Солнце таким, каким оно было восемь минут назад. Перемещаемся на восемь минут назад! Когда мы смотрим на галактику Андромеды, мы смотрим на то, что было 2,5 миллиона лет назад. Когда Фриц Цвикки посмотрел на галактики в скоплении Кома, он увидел свет, излучавшийся 300 миллионов лет назад.

Самые отдаленные из известных нам галактик расположены настолько далеко, что, вероятно, нам транслируется изображение с момента, когда Вселенной было меньше миллиарда лет. Получается, мы перемещаемся назад на 13 миллиардов лет. Что мы увидим, если попытаемся заглянуть еще дальше в прошлое? Ничего, совсем ничего. Если заглянуть в самую глубь Вселенной, то мы окажемся в настолько далеком прошлом, что тогда и галактик еще не было. Кругом пустота. Но если посмотреть еще дальше, кое-что все же произойдет: мы внезапно наткнемся на стену электромагнитного излучения, реликтового излучения, край поверхности последнего рассеивания, образ Вселенной в младенчестве. Сталкиваясь с реликтовым излучением, мы видим части космоса, которые настолько далеки, что электромагнитные волны едва успели достичь нас за время, прошедшее с момента рассеяния первичной туманности. И некоторые из этих волн достигают астрономических приборов, позволяющих их измерить и нанести на карту Вселенной-младенца.

Большой взрыв повсюду

Почему же реликтовое излучение доходит до нас равномерно со всех сторон? Совершить путешествие на машине времени прямо к Большому взрыву — это, конечно, круто, но разве излучение не должно исходить из одной конкретной части неба по направлению к самому взрыву?

Этот очевидный парадокс решается просто: Большой взрыв произошел не в какой-то одной определенной точке. Это не взрыв с четким центром, из которого, как искры новогодней петарды, разлетелись газ и галактики. Большой взрыв не был взрывом в пространстве, это было взрывное расширение пространства. Нечто происходящее одновременно повсеместно.

Расширение пространства? Именно так. После того как Альберт Эйнштейн просветил человечество своей общей теорией относительности в 1915 году, пришлось свыкнуться с тем, что пространство необязательно должно выглядеть как неизменный тетрадный лист.

(Более основательно мы поговорим об общей теории относительности позднее, уже в главе о темной энергии.)

Ученый показал, что пространство может изгибаться и растягиваться, как крутой парень на занятиях йоги, и именно такие характеристики пространства делают возможным одновременно-повсеместный Большой взрыв.

«А что, если бы мир был воздушным шаром?» — поет норвежская исполнительница Май Бритт Андерсен. Не знаю, думал ли автор текста Тронд Брюнн о Вселенной, когда писал строки песни, но не стану полностью исключать такого расклада. Вспомним, что благодаря пластичности пространства астрономы уже много лет предпочитают использовать воздушные шары чуть ли не как учебное пособие. Представим, что Вселенная — это двумерная поверхность воздушного шара. Если наш шар достаточно эластичный, то сначала он мог бы быть крошечным, совсем малюсеньким. А потом по какой-то причине начал надуваться — ив итоге расширился.

Теперь возникает вопрос: где же во Вселенной — воздушном шаре произошел Большой взрыв? В каком месте шар начал расширяться? Вот именно — везде. Одновременно. И если вы находитесь где-то прямо на воздушном шаре и смотрите в любую сторону, то вы заглянете и в прошлое. А если вглядываться в самую даль, то увидите и излучение от Большого взрыва независимо от того, в каком направлении смотрите.

У аналогии с воздушным шаром и у путеводителя по Северной Корее один недостаток: они демонстрируют что-то очень интересное, но в то же время скрывают кое-что крайне важное. Например, Вселенная воздушного шара двумерная, но расширяется в трехмерное пространство, где поверхность шара остается прежней. Вселенная, как мы ее видим, определенно имеет три измерения, и поэтому все дело Большого взрыва не так просто визуализировать. Тем не менее принцип расширения пространства остается прежним: Большой взрыв случился повсюду. Взрыв не располагался в определенном месте пространства, а представлял собой расширение самого пространства, и происходило оно одновременно везде. Таким образом, мы также можем разглядеть следы Большого взрыва, то есть реликтовое излучение, во всех возможных направлениях. Главное — заглянуть достаточно далеко в космос.

Почему реликтовое излучение такое холодное?

Да, ведь оно холодное, излучение Вселенной-младенца, открытое Пензиасом и Уилсоном! Я объяснял ранее (приводя в пример плиту), что высокая температура дает короткие волны, а низкая — длинные. Пензиас и Уилсон обнаружили волны в микроволновой части электромагнитного спектра. И эти волны намного длиннее видимого света. Но когда образовалось реликтовое излучение, было жарко — на самом деле, выше 2500 °C. При таких температурах атомы во Вселенной должны двигаться невероятно быстро, что привело бы к образованию большого количества видимого света. Тем не менее ночное небо заполнено не видимыми световыми волнами от Большого взрыва (это было бы что-то!), а не менее чем в тысячу раз более длинными микроволнами. Почему? Потому что Вселенная неплохо так расширилась с момента образования реликтового излучения.

Световые волны распространяются по расширяющейся Вселенной точно также, как линии на воздушном шаре удлиняются во время надувания. Иллюстрация: Herb.

Давайте вернемся к нашей Вселенной — воздушному шару. Представьте себе, что нарисовали извилистую линию на ненадутом воздушном шаре. Потом вы начинаете его надувать. По мере расширения линия тоже будет увеличиваться вместе с резиной. Точно так же световые волны будут расширяться во время движения по расширяющейся Вселенной, потому что они проходят через пространство, которое постоянно расширяется. С момента образования реликтового излучения (380 000 лет после Большого взрыва) Вселенная так сильно растянулась, что первоначальное расстояние между двумя точками в космосе увеличилось более чем в 1000 раз. Таким образом, электромагнитные волны, которые когда-то были видимым светом, превратились в тусклые микроволны, для обнаружения которых нужны американские рупорные антенны или другие приборы.

Это свойство электромагнитных волн, растягивающихся вместе с расширением Вселенной, очень похоже на эффект Доплера, который мы рассматривали ранее. При эффекте Доплера длина электромагнитных волн также меняется, однако все зависит от скорости объекта в пространстве, а не расширения самого пространства.

Научная «Санта-Барбара»

Вернемся к Холмдейлу, проблемам с голубями и астрономам Пензиасу и Уилсону, ставшими впоследствии лауреатами Нобелевской премии. Даже не подозревая об этом, они были первыми людьми, обнаружившими излучение младенческой стадии Вселенной.

Оглядываясь назад, мы, скорее всего, удивимся: надо же, два незаурядных астронома не поняли, что надоедливое жужжание в радиотелескопе было логическим следствием Большого взрыва. Тем более что существование реликтового излучения было теоретически предсказано шестнадцатью годами ранее молодыми физиками Ральфом Альфером и Робертом Херманом. Они даже опубликовали предсказание в виде небольшой заметки в очень популярном в то время журнале Nature в 1948 году.

Предсказание Альфера и Хермана забыли или не восприняли всерьез (а может, и то и другое) по нескольким причинам. Многим, наверное, казалось чрезмерно самонадеянным применять законы физики к чему-то столь масштабному и гипотетическому, как рождение Вселенной. В то время в некоторых научных кругах к космологии — науке, занимающейся изучением Вселенной, — относились как к никчемному приложению астрономии. К тому же Альфер и Херман были молоды и сотрудничали с блестящим, но несколько экстравагантным физиком Георгием Гамовым (он еще и научно-популярные стишки писал) — и, возможно, революционное предсказание отчасти сбросили со счетов из-за этого тоже.

В любом случае, пока Пензиас и Уилсон чесали затылки, новая группа физиков вышла на след реликтового излучения. В 1964 году, тогда же, когда Пензиас и Уилсон мучились от радиошума, американский физик Роберт Дикке тоже предсказал существование реликтового излучения, совершенно независимо от работ Альфера и Хермана. Дикке объединился с двумя коллегами из Принстонского университета, и они постепенно начали разработку радиооборудования для обнаружения реликтового излучения.

Благодаря запутанным совпадениям Пензиас и Уилсон наконец узнали о гипотезе Дикке. Когда Дикке со своими коллегами обсуждали конструкцию радиотелескопа, ему позвонил Пензиас. Он сообщил, что уже обнаружил излучение, предсказанное Дикке. Затем Дикке, как говорят, повернулся к своим коллегам и произнес по-голливудски красивое: «Ребята, нас обскакали!»

И ведь действительно обскакали. Однако теория и наблюдения наконец-то сошлись, и все были счастливы. В 1965 году в Astrophysical Journal одновременно были опубликованы две статьи: наблюдения Пензиаса и Уилсона и объяснения этих наблюдений под авторством Дикке и его команды.

А что насчет Альфера и Хермана? Их раннее предсказание реликтового излучения признали не сразу, но вклад ученых должным образом осветил в своей речи Пензиас при получении Нобелевской премии в 1978 году. Что именно уловил их радиотелескоп, Пензиас и Уилсон не понимали, но упорно отказывались признавать это, за что и получили Нобелевскую премию. Сегодня может показаться немного странным, что премию не разделили, например, с Альфером и Херманом.

Семена, проросшие в первичной туманности

Открытие реликтового излучения доказывало существование Большого взрыва. Ну хорошо. А как это связано с темной материей? Вот об этом мы сейчас и поговорим.

Пензиас и Уилсон наблюдали реликтовое излучение, которое было совершенно одинаковым независимо от того, в какую сторону они направляли рупорную антенну. Но удалось бы им сделать еще более точные измерения, и они бы увидели, что излучение все равно не совсем равномерное. В каком-то направлении излучение немного теплее, в другом — чуть холоднее. И если бы они составили точную карту неба, то рассмотрели бы замысловатый узор из горячих и холодных точек. Именно эти пятна делают реликтовое излучение бесценным инструментом при изучении Вселенной.

Пятна в реликтовом излучении никто не замечал до 1992 года, пока астрофизик Джордж Смут не продемонстрировал данные, полученные со спутника СОВЕ. Смут двадцать лет искал эти пятна, поэтому неудивительно, что он позволил себе следующее высказывание: «Что ж, если вы религиозны, то это все равно что увидеть лицо Бога».

С тех пор внимание к пятнам становилось все более пристальным. А самые точные данные мы получили с европейского спутника «Планк». Взгляните на измерения «Планка» на рисунке.

Карта микроволн от Большого взрыва, наблюдаемых спутником Планк. Карта показывает излучение со всего неба. Красный цвет указывает на участки немного горячее среднего, а синим отмечены более холодные участки.

Похоже это на лицо Бога или нет, судить не берусь. Многих, возможно, возмутит, что изображение реликтового излучения выглядит так скучно, особенно если сравнивать с фантастичными фотографиями космоса. Если бы мы посмотрели на это изображение в серых тонах, то оно больше всего напоминало бы белый шум, который иногда возникает во время переключения каналов на старинном телевизоре. И ведь на самом деле: реликтовое излучение виновато примерно в одном проценте телевизионных помех.

Но картинка, которая, на первый взгляд, кажется скучными помехами, сразу же становится гораздо интересней, стоит только вспомнить, на что конкретно мы смотрим. Изображение показывает нам чрезвычайно подробную карту всей небесной сферы и представляет фотографию Вселенной, которой на тот момент, когда рассеялась первичная туманность, было лишь 380 000 лет. Это невероятно точный портрет нашей Вселенной в младенчестве.

В то время, как я уже упоминал, первые звезды и галактики еще не образовались. Вселенная состояла из газа, рассеянного практически равномерно. Но и в этом газе были отдельные области с плотностью как на десятитысячную долю выше среднего, так и ниже. Впоследствии, когда прошло достаточно времени, а Вселенная повзрослела, силы гравитации заставили плотные области сжиматься все сильнее и сильнее и поглощать все больше и больше материи из окружающих областей. Постепенно накопилось достаточно вещества для образования галактик и скоплений галактик, звезд и планет, людей и кофейных чашек. Таким образом, крошечные неоднородности реликтового излучения стали семенами, из которых впоследствии произросло все, что существует вокруг нас.

Семенами я называю области с несколько иной плотностью материи во Вселенной. На карте от «Планка» мы видим, что у излучения есть температура, которая меняется при наблюдении разных мест на небе. Почему разная температура говорит о разной плотности? Представьте себе световую волну, исходящую из места с высокой плотностью. Она стремится убежать из места с внушительными гравитационными силами. Чтобы уйти из такого места, излучение должно бороться с силой тяжести. Подобно тому, как мяч теряет скорость, когда вы подбрасываете его вверх в воздух, борясь с гравитацией Земли, световая волна так же теряет энергию, когда движется против сил гравитации. Световая волна, утратившая энергию, становится более длинной, а большие длины волн соответствуют более низкой температуре.

Вывод из этого следующий: голубые и красные пятна на карте «Планка» позволяют взглянуть на разницу в плотности Вселенной-младенца. И эта карта пятен важна для нас сразу по двум причинам. Во-первых, она дает возможность разобраться, из чего вообще должна была состоять Вселенная, чтобы за 380 000 лет образовался такой узор из пятен. Во-вторых, можно сравнить эту фотографию с тем, что мы видим вокруг себя сегодня. А еще зададим себе вопрос: какие ингредиенты нужно было добавить во Вселенную и каких физических законов придерживаться, чтобы этот узор из пятен превратился в знакомые нам галактики и скопления галактик?

Пятна без столкновений

Можно бесконечно вглядываться в карту реликтового излучения, но, как ее ни крути, информации о молодой Вселенной там не особо много. Ну разве что мы точно узнаем, что космос — местечко крайне захламленное. Поэтому нам придется прибраться.

А это прекрасная возможность немного поговорить о рыбе. Допустим, вы наловили сельдей и расположили их в бочке так, что они тютелька в тютельку заняли все дно. Вы знаете, что ваша подруга, биолог Будиль, как раз специализируется на селедке и интересуется ее размерами и видами, и поэтому вы хотите описать рыбу наиболее простым, но в то же время креативным способом. Как бы это сделать? Один из способов описать улов — это последовательно описывать все, что видите: «Сначала слева виднеется голова, над ней возвышается спинной плавник, прерываемый анальным плавником, направленным вправо…» М-да. Такое описание было бы ужасно длинным и совершенно неинтересным. Вместо этого вы описываете улов так: «Селедка длиной 10–15 см: 3 шт.; 15–20 см: 7 шт.; 20–25 см: 18 шт.» и так далее. Получается, всего несколько цифр — и сердце вашей подружки-биолога растоплено.

И то же самое мы делаем с картой реликтового излучения. Вместо того, чтобы разглядывать отдельные замысловатые пятна, мы смотрим на карту, которая состоит из пятен разного размера. С помощью карты можно определить количество этих пятен, а затем попытаться выяснить, какая именно Вселенная нам нужна, чтобы получилось нужное количество пятен разного размера. Ведь различным параметрам Вселенной будут соответствовать различные параметры пятен.

Пятна на реликтовом излучении свидетельствуют о настоящем шторме из гравитационных волн в ранней Вселенной. Области с высокой плотностью, как мы помним, начали сжиматься. А что происходит, когда газ сжимается? Ну, все зависит от того, из чего он состоит.

Давайте для начала представим, что газ состоит из обычной материи. Область с обычной материей, сжавшуюся в молодой Вселенной, можно сравнить с кучей футбольных мячей, которые вы сбрасываете с обеих сторон рампы для скейтборда. Снизу рампы мячи будут сталкиваться и снова разлетаться в разные стороны, перед тем как снова столкнуться. Но при каждом столкновении мячи будут терять часть энергии, и после нескольких раундов все мячи окажутся снизу, лишь изредка покачиваясь.

А что произойдет, если эти уплотняющиеся области будут состоять из темной материи? Тогда футбольные мячи пройдут друг дружку насквозь не врезаясь. Из-за отсутствия столкновений мячи бы продолжили снова и снова кататься по рампе, вместо того чтобы рано или поздно остановиться снизу. Этот механизм можно сравнить с тем, что мы наблюдали во вращающихся галактиках. Столкновения в обычной материи заставляют ее скапливаться в центре, в то время как несталкивающая ся темная материя собирается вокруг. Я не буду здесь подробно расписывать, каким образом отсутствие столкновений скажется на размере пятен, но, надеюсь, ясно, почему существуют различия.

График на следующей странице демонстрирует измерения со спутника «Планк», где пятна отсортированы по размеру, совсем как рыба для подружки-биолога. Слева — самые большие пятна, а по мере движения вправо пятна становятся все меньше и меньше. Высота кривой показывает количество пятен того или иного размера. Например, мы видим, что на небе очень много пятен протяженностью около одного градуса. Точки с черточкой показывают результаты измерений спутника. Высота этих линий означает возможную погрешность. Волнистая линия показывает теоретическую модель нашей Вселенной. И как видите, теория совпадает с реальностью. В этой теоретической Вселенной количество темной материи в пять раз превосходит количество обычной. Темная материя влияет, в частности, на то, насколько высоко располагаются разные пики по отношению друг к другу. Если убрать темную материю из наших моделей, то теоретическая линия перестанет попадать в точки измерения. В этом случае теория и наблюдения разойдутся.

Но одного только правильного количества темной материи будет маловато, чтобы теория встретилась с реальностью, когда дело касается реликтового излучения. Чтобы в итоге все сложилось так, как надо, измерения «Планка» диктуют изначальное количество темной энергии и изначальную скорость расширения Вселенной. Вот почему измерения реликтового излучения так важны: «горбы» на приведенном ниже графике можно использовать для изучения сразу множества различных свойств Вселенной.

На рисунке показано, сколько пятен разного размера есть на карте реликтового излучения. Точки показывают измерения, сделанные спутником «Планк», а линия, проходящая через точки, — теоретическая модель Вселенной, где темной материи в пять раз больше, чем обычной материи.

Когда дело касается темной материи, реликтовое излучение дополняет наблюдения за скоплениями галактик гравитационным линзированием, скоростями вращения спиральных галактик и так далее. Темная материя кажется необходимой независимо от того, смотрим ли мы на большие или маленькие структуры, на Вселенную в младенчестве или на Вселенную сегодня, на то, как движутся галактики, или на преломление света под действием гравитации. Из-за всех этих факторов становится чересчур сложно объяснить Вселенную, в которой мы живем, пренебрегая темной материей.

Тут я перестану приводить аргументы в пользу существования темной материи. Вместо этого лучше порассуждать о том, чем она может быть. А то как-то неловко получается: есть огромное количество некого вещества, о котором мы толком не в состоянии ничего сказать. Но мы же не опускаем руки, а значит, открытие может произойти в любой момент.

2.13. Так что же такое темная материя?

Позади нас долгий путь: мы посмотрели на галактики, скопления галактик и нечто большее. Теперь мы обратим внимание на мельчайшие кирпичики Вселенной — элементарные частицы. На сегодняшний день считается, что все в природе состоит из таких элементарных частиц. Если темная материя существует, то она тоже должна состоять именно из них.

В начале книги мы познакомились с ньютоновским яблоком из темной материи. Яблоко имело массу и взаимодействовало с гравитацией, но не сталкивалось с обычным веществом, из которого состоит Земля. При поиске частицы темной материи следует искать нечто, обладающее такими же свойствами: оно реагирует на гравитационные силы, но не сталкивается.

Что такое частица?

Когда мы используем слово «частица», легко подумать, что это что-то похожее на обычные частицы, такие, как те, что попадают в фильтр пылесоса, — нечто, понятное дело, маленькое, но все же видимое и с четко определенным внешним видом, если изучить их при помощи неплохого микроскопа. С элементарными частицами все не так просто. У них нет никакого четко определенного размера, контура или цвета. Например, нельзя назвать их маленькими шариками. Не получится даже указать точное место в комнате, где находится та или иная частица. Элементарная частица похожа на коробку, в которую упакованы определенные физические свойства. Электрон, например, представляет собой коробку, где хранятся определенная масса, заряд и некоторые другие свойства, о которых мы не говорили: свойства с загадочными названиями, такими как магнитный момент и квантово-механический спин. У электрона нет определенного размера или формы, но этот набор свойств одинаков у всех электронов.

Так что, когда говорят, что мир состоит из частиц, это означает, что мир состоит из таких коробок с очень специфическими комбинациями свойств. И это действительно забавно. Почему, например, у всех электронов одинаковая масса и одинаковый заряд? А если масса одного электрона или его заряд будут, скажем, на 2,31 процента больше, чем у другого электрона? Нет, так не пойдет. Если вы съели завтрак из элементарных частиц и хотите добавки, то возьмите еще один целый электрон. Разрезать элементарные частицы, как ломтик хлеба, не получится.

Когда физические величины входят в такие предопределенные порции, мы говорим, что размеры квантовые или что они квантованы. Вот почему физика, имеющая дело с этим странным микроскопическим миром, также называется квантовой физикой, или квантовой механикой. В квантовой физике, где частицы не имеют формы, происходят невероятные вещи, идущие вразрез с нашим макроскопическим мировосприятием. К некоторым из этих странных явлений мы еще вернемся, но прежде все же стоит познакомиться с темной энергией.

Стандартная модель физики элементарных частиц

Помните открытие мельчайшей частицы, бозона Хиггса? Ее открыли в 2012 году в физической лаборатории ЦЕРН вблизи Женевы через 50 лет после теоретического предсказания. Благодаря телевидению мы стали свидетелями того, как обычно скупые на эмоции физики аплодировали, плакали и не могли перестать обниматься. Такой энтузиазм больше присущ девочкам на концертах бойбэндов или футбольным фанатам в пабах после удачной игры. Не слишком ли много шума вокруг столь крохотной частицы? Бозон Хиггса стал последним недостающим фрагментом в замысловатой головоломке, которую мы называем Стандартной моделью физики элементарных частиц. И кстати, именно в последнее столетие большинство кусочков пазла как раз и оказались на своих местах.

Но раз головоломка решена, чем теперь займутся физики, изучавшие элементарные частицы? Смотрите, ученые так ликовали, понимая, что это только начало и открытие лишь позволит начать разглядывать первые нечеткие очертания новых головоломок. Возможно, где-то за пределами Стандартной модели найдутся один или несколько фрагментов, которые расскажут нам что-то о темной материи, — фрагменты, позволяющие вписать темную материю в уже существующую физику элементарных частиц. Но перед тем, как заглядывать за пределы Стандартной модели, не лучше ли сначала ознакомиться с существующей на сегодняшний день концепцией? И попробовать понять, что же она рассказывает нам о фундаментальных особенностях природы?

Стандартная модель рассказывает, из каких кирпичиков, а если быть точнее, элементарных частиц построен мир, а также каким образом эти кирпичики взаимодействуют друг с другом посредством различных сил природы. Количество кирпичиков ограничено, но, благодаря бесчисленным вариациям их сотрудничества, вокруг нас сформировалась такая многоуровневая реальность. Из элементарных частиц состоят, например, атомы, которые, в свою очередь, образуют молекулы. А все, что мы видим вокруг себя, состоит из атомов и молекул. Частицы в Стандартной модели вы увидите на рисунке.

Двенадцать частиц с левой стороны — это так называемые частицы вещества. Шесть верхних — кварки, а шесть нижних — лептоны. Пять частиц с правой стороны отвечают за энергообмен других частиц. А еще есть бозон Хиггса, который отвечает за инертную массу.

Частицы Стандартной модели. Мы не ожидаем, что эти элементарные частицы действительно имеют какой-либо размер или внешний вид. Поэтому можно развлечься, рисуя их так, как нам хочется. К этому рисунку, возможно, будет полезно вернуться, когда мы в конечном итоге представим различные частицы.

Широкой публике описанные выше частицы не особо известны. Уже неплохо, если человек знает, что такое электрон. Но электрону мы уже уделили достаточно внимания. Да и фотон у многих на слуху (это частица света, или электромагнитного излучения). И бозон Хиггса, которому так радовались физики. Но где, например, протон и нейтрон? И чем занимаются все остальные странные частицы, о которых мы никогда не слышим? В случае со Стандартной моделью нельзя сказать, что все частицы оказались на своих местах вследствие череды случайных находок, как засушенные растения в гербарии школьника. Каждая частица сначала появилась на своем законном месте в математической формулировке. А это означает, что подавляющее большинство элементарных частиц было теоретически предсказано задолго до практического доказательства в ходе экспериментов.

Вернемся к обзору частиц в Стандартной модели. Начнем с частиц вещества. Электрон — одна из них. Но большинство других частиц вещества в повседневной жизни не так уж часто встречаются. Мюон и частица тау во многих своих свойствах схожи с электроном, например, у них отрицательный заряд, зато больше масса. И мюон, и тау-частица за доли секунды превращаются в другие частицы и исчезают. Поэтому их называют нестабильными.

То же самое касается четырех кварков: очарованного, странного, истинного и прелестного. Они нестабильны, и их жизнь очень коротка. С другой стороны, верхние и нижние кварки играют важную роль в построении Вселенной, поскольку являются кирпичиками, образующими протоны и нейтроны, из которых, в свою очередь, состоят ядра атомов. Протон состоит из одного нижнего и двух верхних кварков, в то время как нейтрон — из одного верхнего и двух нижних. У всех кварков есть электрический заряд: +2/3 у верхних и -1/3 у нижних. Простейшие математические вычисления позволяют понять, почему у протона заряд 4–1, а у нейтрона — 0. Кварки всегда стремятся соединиться с другими кварками, чтобы образовать, например, нейтроны и протоны. Исключение составляют лишь ситуации с экстремально высокими температурами — это те, что в 10 000 раз превышают температуру ядра Солнца. И получается, что, хотя Земля и состоит по большей части из кварков, эти кварки заключены в протоны и нейтроны.

Нейтрино — это те еще невидимые чудаки. Их во Вселенной невероятно много, хотя масса этих частиц ничтожно мала. Невидимость нейтрино, конечно, связана с тем, что у них нет электрического заряда. Учитывая количество нейтрино и их невидимость, очень хочется предположить, что нейтрино и темная материя — одно и то же. Но с помощью нейтрино никак не получится объяснить быстро вращающиеся галактики Рубин или другие связанные с темной материей феномены, которые мы рассматривали. На самом-то деле, в какой-то мере нейтрино и есть форма темной материи. Но они могут составлять лишь ее крошечную часть. Поэтому частица темной материи, по всей видимости, отличается от нейтрино Стандартной модели.

Так почему же нейтрино недостаточно, чтобы полностью объяснить темную материю? И откуда мы знаем, что нейтрино существуют, если они невидимы? Чтобы объяснить почему, нам нужно взглянуть на переносчики взаимодействия справа на рисунке Стандартной модели. Частицы взаимодействия определяют, каким образом действуют силы природы и с какой силой и почему без этих переносчиков взаимодействий никак не обойтись в наших поисках частицы темной материи.

Переносчики взаимодействий и ядерная энергетика

Мы уже немало говорили об электрических и электромагнитных силах, действующих между электрическими зарядами и позволяющих обычной материи сталкиваться и не распадаться. Но что заставляет эти силы действовать между электрическими зарядами? Уж точно не канцелярские резинки или пружины, а фотоны. Два заряда толкают или притягивают друг друга, обмениваясь фотонами (небольшими частицами электромагнитных волн).

Испытать похожий процесс на себе можно, если пойти с другом на каток и начать бросать туда-сюда тяжелый предмет, например, воздушный шар с водой. Каждый раз при передаче шара, вы будете отталкиваться друг от друга. Точно так же два электрических заряда будут перебрасывать фотоны между собой, и, в точности как у конькобежцев, бросающих шары с водой, бросок отталкивает электроны друг от друга. Но, в отличие от примера с катком, где бросок только отталкивает вас друг от друга, обмен фотонами может заставить заряды и притягиваться друг к другу.

Фотоны похожи на маленькие мешочки с электромагнитным излучением. Все наблюдаемое нами электромагнитное излучение состоит из фотонов. Означает ли это, что электрические заряды постоянно передают друг другу небольшие вспышки света, пока сталкиваются и отталкиваются? И, получается, мы можем увиде ть эти вспышки? Нет, к сожалению или к счастью, в нашей и без того заряженной электричеством реальности было бы невыносимо много света. Это то, что мы называем «виртуальными фотонами» (я же говорил, что квантовая физика странная), и их нельзя рассматривать точно так же, как световые волны от горячей плиты. Но даже если эти виртуальные фотоны не видны глазу, фотон выполняет роль переносчика энергии между электрическими зарядами.

С другими силами природы также связаны переносчики взаимодействия, задействованные в обмене силами между частицами. В Стандартной модели есть три еще не рассмотренные нами частицы: глюон, W-бозон и 2-бозон. Глюон — переносчик так называемого сильного ядерного взаимодействия, в то время как W- и 2-бозоны — переносчики слабого взаимодействия.

Подведем итоги:

Фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия.

Глюоны — переносчики сильного ядерного взаимодействия.

W- и Z-бозоны — переносчики слабого взаимодействия.

Сильное ядерное взаимодействие

Сильное ядерное взаимодействие происходит между кварками. Благодаря этому взаимодействию объединяются верхние и нижние кварки, образуются протоны и нейтроны. А потом уже нейтроны и протоны с помощью сильного взаимодействия объединяются в ядра атомов.

Насколько сильнб сильное ядерное взаимодействие? Давайте сравним его с электромагнитным взаимодействием. Как вы, возможно, помните, дополнительных электронов на Луне и Земле, равных массе коровы, хватило бы, чтобы сделать электрические силы столь же мощными, как гравитационные силы между двумя небесными телами. И в то же время мы помним, что чем короче расстояние между зарядами, тем сильнее напряженность электрического поля. Каждый раз, когда расстояние между зарядами уменьшается вдвое, напряженность сил возрастает в четыре раза. Расстояние между двумя протонами в ядре атома — всего 10-15 метров (одна миллионная нанометра), поэтому и отталкивающие электрические силы между протонами должны быть огромными. Тем не менее атомное ядро может содержать множество протонов, и, несмотря на огромные отталкивающие электрические силы, сильному ядерному взаимодействию удается преодолеть их и не дать ядру распасться. Недаром же его называют сильным.

Сильное взаимодействие происходит благодаря глюонным частицам. Глюоны обладают некоторыми забавными свойствами, которые, в свою очередь, делают ядерные взаимодействия уж очень особенными. На расстояниях около 10-15 метров (типичном расстоянии между частицами в атомном ядре) сильное ядерное взаимодействие будет обладать притягивающими свойствами и помогать ядру удерживать все частицы вместе. Если мы попытаемся сжать ядро сильнее, то сильное взаимодействие внезапно станет отталкивающим. А если отойти на расстояние чуть больше 10-15 метров, то это взаимодействие очень быстро ослабеет и станет совершенно незначительным. Таким образом, электромагнитные и гравитационные силы быстро начнут преобладать по мере увеличения расстояния между частицами ядра. Так что, если вам удастся отодвинуть протоны в атомном ядре немного дальше обычного, сильное ядернос взаимодействие резко потеряет контроль над ситуацией. Отталкивающиеся электрические заряды перейдут в наступление и разорвут атомное ядро в клочья. В некоторой степени это упрощенное описание того, что происходит на атомной электростанции.

Лично мне трудно представить себе сильное ядерное взаимодействие, не вспомнив ребенка, прилипшего влажным языком к холодному металлическому забору. В этой ситуации язык играет роль глюона. В отличие от сильного ядерного взаимодействия, силы, из-за которых ребенок прилип к холодному металлу, остаются, лишь пока язык полностью прилегает к поверхности. Стоит ребенку рывком вырваться из плена, удерживавшие его силы быстро исчезнут и станут незначительными.

Мы уже поняли, что гравитационные силы действуют между частицами, обладающими массой, а электромагнитные силы — между частицами с электрическим зарядом. Точно так же сильное взаимодействие существует только между частицами, имеющими то, что мы называем цветовым зарядом. Такое название не имеет никакого отношения к привычным нам цветам; это лишь способ описать характеристики некоторых частиц. Аналогия с цветами появилась из-за того, что существует три типа таких зарядов: красный, зеленый и синий. Таким образом, мы сопоставляем их с тремя основными доступными человеческому глазу цветами. Цветовой заряд бывает только у кварков и глюонов.

Стоит обратить внимание на то, что цветовой заряд имеют не только кварки, но и глюоны. Это означает, что глюоны, участвующие в сильном ядерном взаимодействии, способны, взаимодействуя, еще и влиять друг на друга. Это как если бы у фотонов были электрические заряды и они начали отталкивать и притягивать друг друга, излучая новые фотоны во время своего путешествия по космическому пространству. Это бы все только усложнило. И тот факт, что у глюонов есть цветной заряд, также частично объясняет, почему сильные ядерные взаимодействия ведут себя настолько странно.

Если мысленно вернуться к эпизоду с примерзшим языком ребенка, то на этот раз можно представить, что ребенок вырывается и отчаянно пытается освободиться от металлического забора. Тлюоны (язык) сами по себе имеют цветной заряд, а значит, способны самостоятельно образовывать новые глюоны — это все равно как если бы всё более отчаянные рывки ребенка привели к появлению новых языков. Чем сильнее ребенок тянет, тем больше появляется языков, которые еще сильнее приковывают ребенка к металлической поверхности.

Как вы понимаете, расстояния важны для фундаментальных сил. Расстояния также играют не последнюю роль в последнем из четырех фундаментальных взаимодействий, то есть слабом. Но, прежде чем мы приступим к его рассмотрению, давайте разберемся до конца с тремя другими взаимодействиями и посмотрим на радиус их действия:

• При расстояниях меньше 10-15 метров: всем управляет сильное ядерное взаимодействие до тех пор, пока существуют частицы с цветовым зарядом. Электрические силы и гравитация свои пять копеек тут вставить особо не могут.

При расстояниях от 10-15 метров до нескольких метров: во главе угла — электромагнитное взаимодействие. Расстояния становятся слишком большими для сильного ядерного взаимодействия, а силы гравитации слишком слабы, чтобы кто- то спрашивал их мнение.

При расстояниях от нескольких метров и выше: гравитационное взаимодействие становится все могущественнее. В таких масштабах большинство объектов имеет нулевой электрический заряд, и поэтому электромагнитное взаимодействие молчит в сторонке.

Слабое взаимодействие

Слабое (ядерное) взаимодействие играет в физике ту же роль, что и саксофонное соло в песнях. Хотя оно, очевидно, не главный герой, но зато связывает все воедино и придает смысл. Без слабого взаимодействия Вселенную было бы не узнать, да и нас бы в ней не было. Кроме того, многое указывает на то, что слабое взаимодействие необходимо для понимания и открытия свойств частицы темной материи.

Слабое взаимодействие участвует в ряде процессов, происходящих в атомном ядре. Эти процессы, в частности, не дают нейтрону исчезнуть, превратившись в протон, электрон и так называемое антинейтрино. Этот процесс известен как бета-распад. Из-за возможности спонтанного бета-распада нейтроны — нестабильные частицы. Если нейтрон просто одиноко дрейфует в пространстве, то он, скорее всего, исчезнет в течение четверти часа. Следовательно, нейтроны не могут быть темной материей. Их двадцатипятиминутной жизни для этого просто недостаточно. Частицы темной материи же, в отличие от них, существовали еще до образования реликтового излучения и продолжают жить по сей день.

Что касается слабого взаимодействия, есть две частицы, так называемые W- и Z- бозоны, которые играют роль переносчиков энергии. Это взаимодействие происходит между всеми частицами, обладающими тем, что мы называем слабым изоспином, это свойство является своеобразным ответом слабого взаимодействия на электрический заряд электромагнетизма, цветовой заряд сильного взаимодействия и массу гравитационного. Все частицы вещества в Стандартной модели имеют слабый изоспин, позволяющий им влиять друг на друга посредством слабого взаимодействия.

Как мы видели, для других типов взаимодействий элементарных частиц характерны определенные масштабы, в пределах которых они действуют. А что насчет слабого взаимодействия? На какие масштабы распространяется его сила? Это взаимодействие проявляется на фантастически коротких расстояниях, примерно 10-16 м, даже меньше, чем у сильного взаимодействия. Вряд ли вас это поразит, но все же слабое взаимодействие намного слабее сильного. Дальше — меньше. Именно слабое взаимодействие главенствует на экстремально коротких расстояниях. Но все же оно играет далеко не последнюю роль, отчасти потому, что оно взаимодействует с типом частиц, которые не участвует в электромагнитных или сильных взаимодействиях, — нейтрино.

Время поговорить о нейтрино

Мы уже знаем, что нейтрино — это легкие невидимые частицы в Стандартной модели. Но нам нужно узнать побольше. Да простят меня фанаты бозона Хиггса, очарованного кварка и мюона, но нейтрино — крутейшие частицы в Стандартной модели. Они не просто крутые, но еще и прекрасный пример того, как чисто гипотетически может выглядеть темная материя. Ведь, как я уже говорил, по сути нейтрино и есть форма темной материи.

Но они могут составлять лишь мизерную часть всей темной материи. Должно быть что-то еще, что-то хотя бы отдаленно похожее на нейтрино.

Взгляните на свою руку. За считаные секунды через нее проходят несколько тысяч миллиардов нейтрино. Значительное число. И ведь вы этого даже не замечаете. Большинство нейтрино, с которыми мы пересекаемся на Земле, образовались в ходе ядерных реакций в центре Солнца. Но также существует неисчислимое количество нейтрино, парящих в космосе еще с момента Большого взрыва. После фотонов нейтрино — самые распространенные частицы во Вселенной. У нейтрино нет ни электрического, ни цветового зарядов, и поэтому чихать они хотели на электромагнитное и сильное ядерное взаимодействия. А вот слабое взаимодействие они уважают.

Из-за небольшого радиуса влияния слабого взаимодействия нейтрино сталкиваются с обычной материей крайне редко. И раз уж нейтрино признают только слабое взаимодействие, то смогут столкнуться с атомом, лишь попав в область, составляющую менее одной миллионной части всего атома. Поэтому, когда нейтрино пролетает сквозь вашу ладонь, это похоже на бросание песчинки в сито с километровыми отверстиями. Вероятность того, что песчинка ударится об один из прутиков решетки, становится близка нулю. Вероятность столкновения зависит, помимо прочего, оттого, насколько быстро движутся нейтрино. Это немного похоже на автомобиль: чем больше скорость, тем выше вероятность столкновения. Нейтрино, образовавшиеся во время Большого взрыва и заполнившие Вселенную, в среднем без столкновений проходят сквозь брусок свинца толщиной в световой год.

Призрачные свойства нейтрино впервые заметил физик Вольфганг Паули. При изучении бета-распада Паули понял, что без новой частицы не получится логически связать описание процесса.

Поэтому в 1930 году он постулировал новую частицу — нейтрино. Чтобы просто взять и придумать для решения проблемы новую частицу, нужна, наверное, неплохая интуиция. Поговаривают, что он даже заявил следующее: «Я сделал сегодня что-то ужасное. Я предположил нечто, чего никогда нельзя будет проверить экспериментально, потому что эта частица взаимодействует настолько слабо, что ее никогда не удастся увидеть».

Но тут Паули ошибся. В 1956 году физикам Клайду Коуэну и Фредерику Райнесу удалось впервые обнаружить нейтрино экспериментальным путем. Они устроили хитроумный эксперимент с ядерным реактором. В ядерных реакторах образуется очень много нейтрино высокой энергии, поэтому их детектор просто бомбардировало невероятное количество яростных нейтрино. Подавляющее большинство нейтрино, естественно, прошло через эксперимент незамеченными. Тем не менее оказалось, что в среднем три нейтрино в час сталкиваются с материалом внутри детектора. Такие столкновения привели к небольшой серии реакций, которые в конечном счете привели к гамма-излучению — его и заметили Коуэн и Райнес. С тех пор нейтрино наблюдали в бесчисленных экспериментах.

На сегодняшний день в мире существует не один нейтринный детектор. Из-за такой неуловимости частицы-призрака детекторы часто делают ну очень большими, чтобы не упустить шанс разглядеть столкновение. Именно поэтому многие эксперименты выглядят так оригинально и зрелищно. Один из крутейших проектов, связанных с нейтрино, — это обсерватория АйсКьюб (Ледяной куб, IceCube) на Южном полюсе: ученые пробурили толщу льда и погрузили туда «нити» длиной практически в три километра. Каждая нить к тому же снабжена светочувствительными детекторами. В совокупности этими детекторами напичкан целый кубический километр льда. При правильной скорости столкновение нейтрино со льдом может привести к едва заметной вспышке света. Детекторы в длинных «нитях» улавливают эти вспышки для последующих исследований АйсКьюб. Цель всего вышеописанного — узнать больше о нейтрино и в особенности о различных порождающих их процессах.

А где могут рождаться нейтрино? Мы уже поговорили о Солнце, Большом взрыве и атомных электростанциях. А еще о темной материи — если она, конечно, тоже на это способна. Таким образом, возможно, эксперимент АйсКьюб, в ходе которого в глубинах антарктического льда отслеживаются вспышки света, обнаружит и следы темной материи. И скоро мы поймем, как именно.

Почему сами нейтрино не могут быть темной материей? Тут все просто: их масса слишком мала. По правде говоря, пару десятилетий назад многие думали, что у нейтрино и вовсе нет массы. С того времени в ходе ряда экспериментов было доказано, что сколько-то они все же весят. Конкретные числа нам неизвестны, но точно меньше одной миллионной массы электрона. А это безумно мало, особенно если вспомнить, что электрон — легчайшая частица вещества в Стандартной модели.

А почему маленькая масса — это проблема? Потому что обычно во Вселенной все происходит так: чем быстрее частица, тем она легче. Получается, нейтрино должны быть сверхбыстрыми. Мы помним, что темная материя есть еще и в скоплениях галактик, и в галактиках. Эти скопления и галактики возникли из-за того, что в молодой Вселенной образовались небольшие уплотнения, которые впоследствии разбухли из-за гравитации. Давайте теперь представим, что нейтрино приближается к нашей Галактике со своей суперскоростью. Если бы частица обладала сознанием, то подумала бы что-нибудь вроде: «О, галактика! И какая красивая! Да еще и с такой притягательной гравитацией. Может, мне присоединиться к ней? Но… упс! Похоже, я ее уже пролетела.

Ну что ж, приятно было познакомиться, галактика!» И она просто помчится дальше, как участник марафона мимо промоутера. Ну конечно, в нашей Галактике тоже есть нейтрино, но те невообразимые количества нейтрино, оставшиеся от Большого взрыва, слишком быстры, чтобы прилипать к галактикам.

Да и к тому же мы многое знаем о взаимодействии нейтрино с другими материями и примерно представляем, сколько таких призраков летает по Вселенной. Если суммировать вес всех нейтрино, окажется, что их общая масса в лучшем случае составляет десятую часть всей видимой материи. А наблюдения за Вселенной говорят о гораздо больших количествах темной материи. В целом, кажется, что темная материя должна весить примерно в пять раз больше, чем видимая. Так что нейтрино весят слишком мало, чтобы быть той самой темной материей, которую мы ищем.

А что, если нейтрино были бы, скажем, в десять миллиардов раз массивнее? Тогда бы они были гораздо более медлительными. И такие тяжелые чудовища уж точно нашли бы время заглянуть в галактику. А оказавшись в галактике, они могут кататься туда-сюда, как боулинговые шары на рампе для скейтборда. Да, они не сталкиваются, но и покинуть галактику скорость не позволяет.

Так что во время охоты на частицу темной материи нужно искать что-то похожее на нейтрино, но гораздо, гораздо тяжелее. У таких частиц есть название. Считается, что мы ищем холодную темную материю. И говоря «холодная», мы имеем в виду частицы, которые передвигаются не слишком быстро. В Стандартной модели нет места новым частицам, так что искать нам придется за ее пределами.

И хоть нейтрино и не стали той самой частицей темной материи, из всей ситуации можно извлечь парочку уроков. Во-первых, теперь нет сомнений в существовании невидимых частиц-призраков. Во-вторых, их пример демонстрирует, что этих призраков реально обнаружить. Теперь осталось только придумать изощренные эксперименты, которые будут искать именно частицу темной материи. Все это должно вселить в нас надежду на то, что темную материю реально обнаружить, ведь еще шестьдесят лет назад Коуэну и Райнесу удалось обнаружить невидимые нейтрино.

В настоящее время эксперименты проводятся на Международной космической станции, спутниках на орбите Земли, наземных телескопах и сверхчувствительных детекторах глубоко под землей. Все эти технологии задействованы в поиске темной материи. Какой же из способов наиболее эффективен? Зависит оттого, какая частица или частицы образуют темную материю.

Так чем может быть темная материя?

Вимпы: темные массивные слабаки

Во всех этих названиях частиц легко запутаться. А когда разговор заходит о предполагаемых кандидатах на частицу темной материи, то названий становится еще больше. За утешением можно обратиться к мудрой фразе, которую известный физик Энрико Ферми как-то сказал студенту примерно в середине XX века: «Молодой человек, если бы у меня хватало памяти запомнить названия всех этих частиц, то я стал бы ботаником».

Хоть Ферми и не имел в виду частицы темной материи, но и в нашей ситуации цитата актуальна. Ведь дефицита в гипотетических частицах темной материи не наблюдается: вимпы, SIMPbi (сильно взаимодействующие массивные частицы), аксионы, стерильные нейтрино, нейтралино, гравитино, фотино, криптон, зеркальное вещество, Q-ball, Вимпзилла (WIMPZilla) и так далее^4*5. Но разобраться с особенностями частицы темной материи можно и не изучая в подробностях всех этих диковинных зверей — как ни крути, а Энрико Ферми ведь стал выдающимся физиком, не зная наизусть все типы частиц.

Но одному из подозреваемых допрос мы все же устроим, а если быть точнее, частице вимп. Вимп (WIMP) — это аббревиатура Weakly Intecting Massive Particle, а по-русски она называется слабовзаимодействующей массивной частицей.

(К сожалению, русское наименование звучит гораздо скучнее английского, поэтому мы будем придерживаться вимпов. Английское слово «wimp» можно перевести как «слабак».)

Иначе говоря, эта частица обладает массой и участвует в слабом взаимодействии, но не признает ни электромагнитное, ни сильное взаимодействия.

Подозрительно похоже на нейтрино? Ну да, вимп — это частица, похожая на нейтрино, хотя это нечто новое и отличное. Да к тому же масса вимпа должна намного превышать массу нейтрино.

Самая популярная на сегодняшний день гипотеза гласит, что темная материя состоит из частиц вимп. Популярность этих частиц небеспричинна. У нас даже есть основания полагать, что вимпы существуют в природе, просто пока мы их не обнаружили. А если такие частицы все же существуют, то, скорее всего, образовались они сразу после Большого взрыва и существуют до сих пор. А еще имеются веские причины полагать, что эти вимпы будут достаточно тяжелыми и многочисленными, чтобы из них состояла темная материя. По факту некоторые физики-теоретики считают, что вимпы настолько хорошо подходят на роль частицы темной материи, что даже придумали понятие «чудо- вимп» (WIMP-miracle).

А тем, кто уже закипает от вимп-лихорадки, советую все же остудить свой пыл. Единого теоретического описание вимпов не существует, вимп — это лишь общее описание некоторых свойств частицы (если быть точнее, участие в гравитационном и слабом взаимодействиях). Вимп — общий термин, который охватывает целый набор различных типов предполагаемых гипотетических частиц. Чуть позже мы уточним, о каких именно частицах идет речь. А еще посмотрим, в чем заключается «чудо вимпа» и почему вимп-частиц так много во Вселенной.

Но сначала давайте разберемся с важной особенностью вим- пов: их реально обнаружить экспериментальным путем! Уже по определению понятно, что вимпы подчиняются слабому взаимодействию. Получается, они, как и нейтрино, способны иногда взаимодействовать с другими известными частицами. А раз нейтрино удалось уловить в ходе изощренных экспериментов, то же самое можно проделать и с вимпами. Именно поэтому разнообразные эксперименты по всему миру нацелены на поиск этих частиц. Ученые ждут, пока слабое взаимодействие вынудит вимпы подать сигнал детекторам. Так они смогут выяснить, что же все-таки такое темная материя. А такое открытие точно заслуживает Нобелевской премии.

Искать вимп-частицы довольно непросто, ведь мы не знаем наверняка, что ищем, а кандидатов много. Поэтому задействованы разные эксперименты для поиска различных характеристик. Увенчается ли поиск успехом? Некоторые утверждают, что уже видели вимпы. Давайте посмотрим, как проходит эта глобальная охота на слабодействующие массивные частицы.

Охота на столкновения вимпов

Знаете, бывают такие карусели, похожие на чайные чашки. Вся конструкция напоминает кусочки торта, а люди садятся в так называемые чашки. Эти кабинки-чашки установлены на вращающейся по кругу платформе, и каждая кабина может на радость пассажирам еще и вращаться вокруг собственной оси. Незабываемые ощущения достигаются благодаря одновременному вращению: сначала платформа-основа обеспечивает вращение по большому кругу, а потом подключаются чашечки с вращением по малому.

Ну и конечно, я не просто так вспомнил о каруселях, дело в том, что это прекрасная аналогия астрофизического явления: движение кабинки-чашки очень похоже на движение Земли в Млечном Пути. Во-первых, сам Млечный Путь и все его звезды обращаются вокруг центра, как платформа-основа. Кроме того, Земля обращается вокруг Солнца, прямо как кабинки карусели.

Вернемся к нашим чашкам. Если вы катались на такой карусели, то наверняка обратили внимание на сильные потоки ветра. Иногда оба вращения — по малому и большому кругам — будут однонаправленными. Тогда порывистый ветер точно испортит вам укладку. А в моменты, когда кабинка и карусель вращаются в противоположные стороны, ветер будет гораздо слабее. Каждый раз при вращении кабинки ветер будет усиливаться, когда оба движения направлены в одну сторону, и ослабевать, когда вращения тянут вас в разных направлениях.

То же самое касается Земли. Иногда танец Земли вокруг Солнца совпадает с вращением Солнечной системы в Млечном Пути, а иногда нет. Когда вы кружились в кабинках-чашечках, то, возможно, заметили, как ветер усиливался или ослабевал в зависимости от того, совпадает направление вращений или нет. Когда Земля вращается в Млечном Пути, то тоже можно наблюдать своего рода ветер — ветер из темной материи. Ведь, как вы, возможно, помните, считается, что нашу Галактику окружает огромное облако темной материи. А из-за эффекта карусели Земля пролетает мимо него с различными скоростями в зависимости от времени года. Быстрее всего Земля будет двигаться сквозь гало темной материи в мае-июне и медленнее всего — в ноябре-декабре.

Кабинки-чаинки: счастливые посетители ярмарки, которые катаются на карусели, — хорошая аналогия движения Земли по Млечному Пути.

Поскольку темная материя просто проходит сквозь Землю, не сталкиваясь с ней, поток ветра из частиц темной материи никого с ног пока не сбивал. Но если темная материя состоит из частиц WIMP, которые участвуют в слабом взаимодействии, то они должны хоть иногда сталкиваться с ядрами атомов на Земле. И, как я отмечал ранее, чем выше скорость вимпов, тем больше вероятность столкновения. Если темная материя — это WIMP, то в мае следует ожидать большего количества столкновений, чем в ноябре. Группа исследователей полагает, что именно этот эффект изменения ветра WIMP они наблюдали глубоко под горой в Италии.

Если пару часов ехать в северо-восточном направлении от Рима, то окажешься у горы Гран-Сассо. Там под полутора километрами горной породы скрывается огромная физическая лаборатория. В этой подземной лаборатории проводят различные эксперименты в области физики элементарных частиц. И, конечно, подобные эксперименты проводятся глубоко под землей не просто так. Гора здесь выполняет роль щита и прикрывает лабораторию от космических лучей. Гран-Сассо — идеальное место для размещения самых чувствительных детекторов, которые ищут едва уловимые сигналы от сталкивающихся частиц, например, от ветра WIMP.

DAMA/LIBRA — один из экспериментов лаборатории Гран-Сассо. Снаружи она выглядит как большой бетонный куб размером в несколько метров. За толстым бетоном скрыты массивные свинцовые стены. Внутри находится защищенный от окружающей среды сверхчувствительный детектор частиц.

Детектор сделан из материала, который при столкновении с частицей, например WIMP, провоцирует небольшую вспышку света. Несмотря на наличие нескольких слоев защитной породы, бетона и свинца, здесь по-прежнему существуют различные типы известных частиц земного происхождения, и они тоже способны приводить к вспышкам света. Поэтому, видя вспышку света от детектора, ученые не могут точно сказать, виновата ли в этом темная материя или другие частицы. Но если изучить количество вспышек света в детекторе за несколько лет, то есть шанс все же увидеть следы ветра вимпов в Млечном Пути. Если некоторые из вспышек света вызваны столкновениями частиц темной материи, то в мае столкновений должно быть немного больше, чем в ноябре.

35C0 лооэ <4500 5C03

Вспышки света в эксперименте. По оси ординат мы видим, как количество световых вспышек колеблется вверх и вниз вокруг среднего значения. По оси абсцисс — количество дней. Крестиками показаны измерения для эксперимента. Изогнутая линия показывает, чего ожидается от сигнала темной материи. На рисунке отражены данные за семь лет сбора, и мы ясно видим семь колебаний. Может, это ветер от вимпов?

Именно такой эффект ожидают увидеть исследователи, стоящие за экспериментом DAMA/LIBRA. Проанализировав данные за семь лет, они пришли к выводу, что каждый год в мае вспышек света на несколько процентов больше, чем в ноябре. Неужели они обнаружили следы быстрых потоков ветра с частицами вимп? Под горой в Италии проявился эффект карусели? Получается, они увидели темную материю? Как заявляет сама исследовательская группа — да. Но большинство других ученых настроены недоверчиво.

Нет никаких сомнений в том, что результаты эксперимента DAMA/LIBRA носят сезонный характер. Достаточно взглянуть на график выше. Вот только не факт, что причина этой сезонности — темная материя. Некоторые исследователи обратили внимание и на другие сезонные явления, которые, по их мнению, объяснят результаты эксперимента и без темной материи.

Например, есть версия, что сигнал исходит от мюонов, сталкивающихся с детектором. Мюоны создаются в верхних слоях атмосферы в результате бомбардировки космическими лучами. Сколько таких мюонов падает на Землю, зависит от температуры воздуха, а температура воздуха, как известно, в течение года меняется.

Однако самая большая проблема с DAMA/LIBRA заключается в том, что никакие другие эксперименты не смогли воспроизвести их результаты. Правда, никаких других экспериментов, где проводились бы точно такие же измерения с тем же типом детекторов, что и в DAMA/LIBRA, не осуществлялось. Но если вимпы — это темная материя и если при этом вимп не ведет себя сверхъестественным образом, решив сталкиваться исключительно с детектором в DAMA/LIBRA, тогда другие эксперименты должны подтвердить результаты DAMA/LIBRA. Пока этого не произошло.

Под землей проводится немало экспериментов по поиску столкновений с темной материей, и постоянно запускаются новые, все более точные. Некоторые из самых точных на момент написания книги результатов были получены в ходе эксперимента LUX, который проводится в США в шахте полуторакилометровой глубины. LUX — это аббревиатура от английского Large Underground Xenon experiment (Большой подземный ксеноновый эксперимент). Ксенон относится к так называемым благородным газам, которые не вступают в химические реакции с другими веществами. Во время эксперимента ксенон охладили до температуры около -100 °C, отчего он стал жидким. При столкновении частицы с атомами ксенона образуется как вспышка света, так и электрон. И все это зафиксирует детектор. Пока LUX ничего похожего на частицу темной материи не наблюдал. Если эксперимент DAMA/LIBRA действительно обнаружил темную материю, то LUX тоже должен был что-то зафиксировать. Большинство физиков сегодня считают, что ошибку допустили, скорее, в эксперименте DAMA/LIBRA, а не LUX.

DAMA/LIBRA и LUX — это лишь примеры двух экспериментов, которые занимаются поиском темной материи. Что касается остальных, большинство пришло к выводу, что увидеть темную материю им не удалось, хотя некоторые утверждают, будто все же что-то видели. Как правило, результаты «видевших» темную материю противоречат результатам «не видевших». В общем и целом, поиски темной материи — это хоть и хаотичное, но крайне интересное поле исследования. И расхождение результатов, наверно, даже неизбежно. Вне зависимости от того, где на Земле вы находитесь, везде присутствует естественное излучение от разных источников, а потому зерно от плевел отделить сложно. Детектор зафиксировал столкновение с частицей темной материи или это со свистом пролетел ничем не примечательный нейтрон? Чтобы увидеть редкие столкновения крошечных вимпов, требуется огромная точность, и исследователи постоянно пытаются довести свои эксперименты и исследования до идеала. Иногда это даже заходит слишком далеко.

А еще поиск частицы темной материи — хороший пример того, как исследования выглядят на самом деле. Если исследовательская группа заявляет об обнаружении чего-то, это еще не значит, что открытие внезапно стало общепринятой истиной. Во-первых, открытие должно быть проверено другими исследователями, желательно с привлечением других методов и других возможных источников погрешностей. Настолько далеко в поисках столкновений с темной материей мы еще не зашли.

Ряд новых экспериментов с еще более чувствительными детекторами находится на стадии разработки и строительства, и если темная материя на самом деле состоит из вимпов, то шансы ее обнаружения в ближайшие годы не так уж малы.

Но даже если нам не удастся зафиксировать столкновение вимпа на Земле, существуют и другие способы поиска. Ведь пока одни охотники на вимпы копают под горой, другие смотрят в космос. Чтобы понять, что именно ищут в космосе охотники за темной материей, пора представить новую экзотическую галактику на небе частиц — антивещество.

Антивещество и эквивалентность массы и энергии

Каждой частице в Стандартной модели соответствует своя античастица. Существуют, например, антиэлектроны (известные также под названием позитрон), антикварки и антинейтрино. Стоит только соединить нужные антикварки, как получатся антипротоны и антинейтроны. Из антипротонов и антинейтронов можно сделать антиядра атомов, соорудить антиатомы, антилюдей и так далее. Да в целом для всего, что мы видим вокруг нас, можно сделать антиверсии.

Антивещество — это то же самое, что и обычное вещество или материя, только наоборот. Возьмем, например, позитрон (который можно считать антиэлектроном). Позитрон весит ровно столько же, сколько и электрон (у них одинаковая масса), но отличается знаком электрического заряда. Электрический заряд позитрона настолько же положительный, насколько заряд электрона отрицателен. Есть еще несколько свойств частиц, о которых я не упоминал, но и они будут противоположными. Если сложить позитрон и электрон вместе, у них получится нулевой электрический заряд. И вообще, если совместить частицу с ее античастицей, то их противоположные свойства приведут к тому, что почти все качества, делающие частицу частицей, окажутся на нуле. Вместе они становятся ничем. С одним только исключением: массой. Масса всегда положительна, независимо от того, рассматриваем мы частицы или античастицы. Частица и античастица уничтожают и сводят друг друга на нет. Исчезает все — кроме массы.

А что происходит с массой? Тут в игру вступает самая известная физическая формула, легендарная Е=mc^2 Эйнштейна. Формула говорит нам, что энергия и масса — это две стороны одной медали. Здесь Е обозначает энергию, т — массу (то есть то, что мы измеряем в килограммах), а с — скорость света в вакууме. Получается, что массу можно в той или иной форме преобразовать в энергию. А еще формула позволяет точно высчитать, сколько энергии соответствует конкретной массе. Или наоборот: если нам дана энергия, то можно узнать и массу.

Скорость света в вакууме — число очень большое. Что уж говорить о скорости света в квадрате. А это значит, что при относительно небольшой массе можно создать огромное количество энергии. Если бы можно было просто преобразовать, например, пятикилограммовый валун в чистую энергию, то эта энергия была бы эквивалентна годовой производительности гидроэлектроэнергии Норвегии.

Вернемся к частицам. Когда частица сталкивается с соответствующей античастицей, обе частицы исчезают. А если по-научному, то происходит аннигиляция. Остается только масса. И как раз эта масса и есть энергия. А вот энергия преобразуется по-разному. Она может, например, стать электромагнитным излучением. И так как даже маленькая масса дает много энергии, электромагнитное излучение будет обладать высокой энергией. Такое излучение называется гамма-излучением. А еще энергия может преобразоваться в новую пару частицы и античастицы, пути которых, возможно, дальше разойдутся.

Может показаться, что антивещество — это пустая теоретическая спекуляция. Но не тут-то было: за антивеществом наблюдали в бесчисленном множестве различных экспериментов с частицами. Мы не замечаем его в повседневной жизни, поскольку частицы антиматерии сразу же натыкаются на частицы обычной материи в этом не приспособленном для них мире и моментально аннигилируют. Но все же антивещество можно создать в мощных столкновениях — в ускорителе заряженных частиц, например. В них можно успеть взглянуть на античастицы до того, как они исчезнут. Антивещество существует: мы его видели. Но жизнь его на напичканной обычной материей Земле беззаботной не назовешь.

А при чем тут вообще темная материя? Ну, смотрите, некоторые частицы сами себе античастицы. Если рассматривать Стандартную модель, то это касается, например, бозона Хиггса, бозона Z и, возможно, нейтрино. Есть причины полагать, что вимпы темной материи тоже будут своими же античастицами. Но как им тогда удается существовать в огромных количествах в космическом пространстве? Дело вот в чем: эти частицы пересекаются настолько редко, что способны прожить миллиарды лет, пока не аннигилируют. Но иногда вимпы, конечно, встречаются, и тогда происходит аннигиляция. А оставшаяся от них энергия сможет преобразоваться в гамма-излучение, например, или электрон и позитрон, а эти частицы мы уже способны увидеть. Вот вам и следы темной материи.

Следы вимпов в космосе

Международная космическая станция парит в 400 километрах над поверхностью Земли, двигаясь со скоростью почти восемь километров в секунду. Это самый большой созданный руками человека объект за пределами атмосферы Земли: по размерам МКС соответствует футбольному полю. Международная космическая станция — совместный проект ряда стран, в том числе США, России и Японии, а также Европейского космического агентства (ЕКА), членом которого является и Норвегия. На МКС работают ученые из всех уголков мира, а потому космическая станция считается символом сотрудничества вопреки культурным и национальным различиям. Но, прежде всего, это исследовательская лаборатория. Здесь проводятся эксперименты, которые невозможно повторить на Земле, — без влияния атмосферы и веса.

Магнитный альфа-спектрометр (Alpha Magnetic Spectrometer, AMS) — это один из экспериментов на Международной космической станции. Этот прибор размером с автомобиль установлен снаружи станции, а его главная миссия — поиски следов аннигилировавших частиц темной материи. С особым усердием AMS ищет вимпы, превратившиеся вследствие аннигиляции в электроны и позитроны. Из-за того, что позитроны неспособны преодолеть атмосферу Земли, спектрометр и установили в космосе. Войдя в атмосферу, позитроны сталкиваются с электронами, и начинается реакция аннигиляции. А в почти полной пустоте космоса даже таким античастицам, как позитроны, удается проходить большие расстояния не исчезая.

Электрон, а следовательно, и позитрон — частицы очень легкие. У нас есть веские основания полагать, что вимпы темной материи должны быть гораздо массивнее. Если два вимпа аннигилируют, они выделяют много энергии, намного больше, чем необходимо для образования электрона и позитрона. Что же происходит с этой лишней энергией? Она придает электрону и позитрону большую скорость. А чем тяжелее вимпы, тем больше энергии достанется электронам и позитронам, тем самым ускоряя их. Таким образом, магнитный альфа-спектрометр будет отличать электроны и позитроны, полученные в результате аннигиляции вимпов, по огромным скоростям, близким к скорости света. И в этом случае по величине скорости можно будет рассчитать первоначальную массу вимпов.

Так что же обнаружил спектрометр? На данный момент команда ученых зарегистрировала большое количество как электронов, так и позитронов, которые достигли их детектора на огромных скоростях. Электроны есть абсолютно везде, поэтому сам факт их встречи с детектором особого удивления не вызывает. Но что насчет попавших в эксперимент позитронов, то есть античастиц? Может, они и есть следы аннигиляции темной материи? К сожалению, не все так просто. Во Вселенной существуют и другие процессы, порождающие позитроны. Например, источником позитронов могут быть быстро вращающиеся нейтронные звезды. Об этих звездных останках я упоминал ранее в книге: они настолько компактны, что бутылка из-под газировки с веществом нейтронной звезды весит столько же, сколько вся вода в озере Мьёса.

И как тогда понять, что в эксперимент попадают позитроны, образованные именно аннигиляцией вимпов? Есть один отличительный признак, на который стоит обращать внимание, — скорость позитронов.

Скорость позитронов, как я уже говорил, зависит от массы аннигилировавших вимпов. После того, как энергия из массы вимпов превратилась в электрон и позитрон, остается определенное количество энергии, которая, в свою очередь, может придать им ускорение. Тогда можно предположить, что все позитроны, появившиеся из-за аннигиляции вимпов, будут обладать одинаковой, невероятно большой скоростью. Но и тут не все так просто. У вимпов ведь до столкновения тоже могла быть своя скорость, которая будет суммироваться со скоростью позитронов.

Или вимпы могли сначала аннигилировать и превратиться в частицы другого типа, которые позже образовали позитроны. А еще скорость позитрона могла измениться во время путешествий по космосу. В общем, все сложно. Но, принимая во внимание подобные факторы, все равно можно сделать предположения о количестве позитронов с различными скоростями.

AMS провел точные измерения скоростей замеченных им позитронов. Пока результаты не особо впечатляют и не очень похожи на то, что можно было бы ожидать от аннигиляции вимпов. Но еще рано делать какие-либо выводы. У позитронов бывают и другие источники. Чтобы узнать больше, нужно изучить позитроны, которые движутся еще быстрее и, соответственно, обладают большим количеством энергии, чем те, которые удалось заметить детекторам. В любом случае AMS — великолепное руководство по поиску темной материи через косвенные улики, такие, например, как позитроны.

Но о том, произошли позитроны от вимпов или нет, свидетельствует не только скорость. Не менее важно и то, откуда они пришли. Ведь для аннигиляции вимпам нужно сначала встретиться. Столкновение наиболее вероятно там, где скопления вимпов наиболее плотные. Темная материя распределена по всему пространству и всем галактикам. Как вы помните, считается, что Млечный Путь плавает в равномерном супе из темной материи. Тем не менее считается, что в центре Галактики этот суп плотнее всего. А поэтому наибольшее количество столкновений вимпов стоит ожидать там же. У нас также есть некоторые представления о том, как будет уменьшаться количество столкновений частиц темной материи по мере удаления от центра.

Разве магнитный альфа-спектрометр не способен просто определить, откуда приходят позитроны, и проверить, является ли это типичным местом скопления темной материи?

Боюсь, что нет. У позитронов есть электрический заряд, а частицы с электрическим зарядом испытывают отклонение, проходя через области магнитных полей. Магнитных полей в нашей Галактике полно. Так что позитрон, идущий из центра Галактики, вполне может попасть в спектрометр с совершенно другого направления.

Как тогда определить, где произошла аннигиляция вимпов? Никто не говорил, что два вимпа обязательно станут электроном и позитроном. Они могут стать и другими частицами, причем такими, которые не имеют электрического заряда, а следовательно, не слишком сильно меняют направление при пересечении магнитного поля Млечного Пути.

Хороший пример — гамма-излучение, то есть фотоны высокой энергии. Если мы сможем наблюдать гамма-излучение от двух аннигилировавших вимпов, то направление, из которого оно исходит, расскажет нам о том, где это излучение родилось.

На сегодняшний день существует два способа поиска гамма-излучения от аннигилировавших вимпов — в космосе и косвенно на поверхности Земли. Как и электроны с позитронами, гамма-излучение не в силах преодолеть атмосферу. Следовательно, для прямого наблюдения за гамма-излучением придется отправиться в космос. Телескопам на Земле недоступно изучение непосредственно гамма-излучения: они видят лишь следы, которые образуются в атмосфере от попадания гамма-лучей.

Дальше я сосредоточусь на прямых измерениях гамма-излучения в космосе. Выдающийся представитель «космических гамма-телескопов» расположен, например, на спутнике «Ферми». Спутник, являющийся совместным проектом нескольких стран, назван в честь того самого Энрико Ферми, которого я недавно цитировал. Помните, он еще не мог запомнить названия всех частиц, потому что не был ботаником. Телескоп «Ферми» предназначен специально для наблюдения за гамма-излучением, а начал свою работу он в 2008 году.

Как уже упоминалось, преимущество поиска гамма-излучения перед позитронами состоит в том, что гамма-излучение движется по прямым линиям. Соответственно, телескоп «Ферми» может обнаружить, откуда исходит гамма-излучение. Возникает очевидный вопрос: наблюдается ли особая интенсивность гамма-излучения там, где мы рассчитываем найти темную материю? И — барабанная дробь — ну… как сказать…

Да, «Ферми» обнаружил много гамма-излучения в центре Млечного Пути, а причиной этому может быть аннигиляция вимпов. Проблема лишь в том, что во Вселенной просто куча других источников этого излучения, и в центре нашей Галактики они тоже есть. Вспомним о нейтронных звездах — эти компактные хулиганы плюются не только позитронами, но и гамма-излучением.

Другая проблема заключается в том, что аннигиляция вимпов может создавать гамма-излучение самыми разными способами. Умей природа самостоятельно разоблачать вимпы темной материи, все аннигилировавшие вимпы становились бы двумя гамма-фотонами, то есть двумя вспышками электромагнитного излучения, расходящегося в разных направлениях. А количество энергии каждого фотона определялось бы формулой Е=mc^2. Масса вимпов определяла бы, сколько энергии будет в гамма-излучении. Всё гамма-излучение, исходящее от вимпов, имело бы точно такое же количество энергии, и эта энергия выдавала бы нам массу вимпов. Так просто! К сожалению, чересчур просто.

Реальность же такова, что большинство гамма-лучей, исходящих от вимпов, формируется не сразу. Чаще всего ситуация выглядит так: два вимпа аннигилируют в другие частицы, например, в тау и антитау. Эти частицы нестабильны и, прожив совсем недолго, трансформируются во что-то еще. Во время этих трансформаций появляется гамма-излучение. В результате аннигилировавшие вим- пы будут испускать гамма-излучение всевозможной энергии. Но ни один из испускаемых гамма-фотонов не может иметь энергию большую, чем позволяет масса вимпа. Поэтому мы ожидаем, что у гамма-излучения от вимпов будет определенный предел, за которым оно прекратится. Это и есть те следы, которые мы ищем.

В совокупности проблемы с гамма-излучением настолько велики, что пока ни к какому выводу прийти не удалось. Ученые наблюдали излучение, причиной которого могли быть как аннигилировавшие вимпы, так и другие источники.

Чтобы разобраться с этой путаницей были предприняты попытки изучить гамма-излучение, исходящее из объектов другого интересного типа: карликовых галактик. Карликовые галактики — это просто маленькие галактики. Если Млечный Путь содержит несколько сотен миллиардов звезд, то в карликовых галактиках их до нескольких миллиардов. Нам известно более 20 таких карликовых галактик, обращающихся вокруг Млечного Пути. Особенно привлекают охотников за вимпами два качества таких галактик. Во-первых, они достаточно спокойные. По сравнению с центром Млечного Пути, типичная карликовая галактика содержит меньше известных источников гамма-лучей, которые могут сбить с толку. Во-вторых, карликовые галактики содержат большое количество темной материи, это можно вычислить, изучая движение в них звезд. Судя по описанию, лучше места для наблюдения за аннигилирующими вимпами не придумаешь: много темной материи и мало другого гамма-излучения. И ученые наблюдали и наблюдали. Недавно (книга написана весной 2015-го) сообщили о первых открытиях интересных гамма-лучей от карликовых галактик, но пока что наблюдения недостаточно точны, чтобы понять, задействована ли там темная материя.

А мы видели вимпы?

Мы наблюдали за вимпами разными способами: сначала смотрели, как они сталкиваются в детекторе на Земле, а затем — как они аннигилируют и излучают частицы. Я намекнул, что существуют захватывающие результаты измерений, но в подробности не вдавался. Я так скуп на подробности лишь потому, что в наше время охота на вимпы — это крайне хаотичное поле исследований. Бывает, что наблюдение, о котором физики, собравшись за обедом, сегодня горячо спорят, завтра при анализе данных оказывается глупой ошибкой. А то, что сегодня кажется незначительной деталью, через несколько лет вполне может вывести на след темной материи.

Но тем не менее приятно осознавать, что единственным методом при поиске вимпов не ограничиваются. Если подземный эксперимент заявит об обнаружении вимпов с определенными характеристиками, то эти результаты должны совпадать с наблюдениями за позитронами и гамма-излучением, а еще они не должны противоречить тому, что мы знаем о темной материи в нашей Галактике и в картине реликтового излучения. Всем частям большой и сложной головоломки следует оказаться на своих местах.

До сих пор мы говорили о поиске вимпов, не упоминая основоположника всех экспериментов с частицами — большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРНе. Бозон Хиггса открыли еще в 2013 году, а Нобелевскую премию давно поделили, но ускоритель частиц БАК по-прежнему заставляет частицы врезаться друг в друга — со все возрастающими скоростями. И на этот раз первое место в листе ожидания занимает частица темной материи.

Но прежде, чем мы увидим, как ищут темную материю в ЦЕРНе, давайте еще раз вернемся к рождению Вселенной. Все рассмотренные нами эксперименты основываются на том, что темная материя состоит из вимпов. Что же делает эти вим- пы столь привлекательными? Что это за «чудо-вимп»? Самое время еще раз вернуться к Большому взрыву.

Фабрика вимпов в начале Вселенной

Вблизи Женевы, глубоко под землей, находится исследовательский центр ЦЕРН. На территории организации располагается самый масштабный и дорогой эксперимент над заряженными частицами — ускоритель заряженных частиц БАК (Большой адронный коллайдер). Ускоритель состоит, в частности, из 27-километрового кольца-туннеля, в котором частицы разгоняются до немыслимых скоростей. БАК часто называют машиной Большого взрыва, и на то есть основания. Когда ускоритель сталкивает частицы друг с другом со скоростью, практически равной скорости света, воссоздаются условия первой миллиардной доли секунды после Большого взрыва.

Сразу после Большого взрыва никаких сооруженных людьми ускорителей частиц, естественно, не было, но тем не менее Вселенная была наполнена все теми же мощными столкновениями, которые сейчас воссоздаются в ЦЕРНе. Почему все это происходило? Да потому что было адски жарко. Ведь как вы, возможно, помните, по мере перематывания времени назад, к Большому взрыву, Вселенная будет становиться все плотнее и раскаленнее. Когда некая субстанция, например газ, обладает высокой температурой, это просто-напросто означает, что частицы в нем быстро двигаются. Спустя миллиардную долю секунды после Большого взрыва частицы во Вселенной перемещались с огромными скоростями. В то же время Вселенная была гораздо более сжата, чем сегодня, и частицы, обитавшие в ней, непрерывно сталкивались. Из-за высоких скоростей эти столкновения были настолько же мощные, что и воссоздаваемые ЦЕРНом. А если посмотреть, что происходило в момент Большого взрыва, то станет очевидно, что температура была еще выше, а столкновения — более ожесточенными. Когда Вселенная была еще совсем молодой, в ней происходили столкновения того же типа, что и в адронном коллайдере, только происходили они буквально повсюду.

(В LHC-ускорителе ЦЕРНа сталкиваются протоны. В ранней Вселенной сталкивались всевозможные частицы. Механизмы те же, но, строго говоря, ускоритель LHC воспроизводит лишь небольшую часть того, что произошло во Вселенной сразу после Большого взрыва.)

Чем ближе мы подходим к Большому взрыву, тем больше появляется мощных столкновений на любой вкус и цвет. И чем яростнее частицы сталкиваются, тем больше энергии они выделяют. А формула Е=mc^2 говорит о следующем: чем больше энергии высвобождается, тем более тяжелые частицы можно создать. Ведь точно так же, как частица и античастица способны превратиться в энергию, энергия способна превратиться в частицу и античастицу. Если вимпы темной материи все же существуют, то в период, достаточно близкий к Большому взрыву, повсеместные столкновения, судя по всему, порождали их в неимоверных количествах. Получается, вимпы и множество других видов частиц должны были постоянно возникать и снова исчезать в водовороте первичного бульона Вселенной.

При настолько частых столкновениях этот первичный бульон находился в состоянии, которое называют термодинамическим равновесием. Это означает, что между различными частицами устанавливается определенное количественное соотношение. Однако Вселенная начинает остывать и расширяться. Столкновения становятся все более редкими и менее ожесточенными. А чтобы столкнуть вимпы, которые признают исключительно слабое взаимодействие, нужно еще постараться. И вскоре Вселенная настолько выгорает и охлаждается, что в столкновениях больше не рождаются вимпы. Сами же частицы темной материи сталкиваются и аннигилируются теперь крайне редко. Оставшиеся вимпы начинают свободно перемещаться по космосу, не сталкиваясь вообще ни с чем. Многие считают, что именно из этих вимпов и состоит окружающая нас сегодня темная материя — из тех самых вимпов, которые появились, когда возраст Вселенной составлял примерно миллиардную долю секунды, и которые не успели вовремя аннигилировать.

А вот и «чудо вимпа»: если вимпы существуют, то к их появлению привели именно экстремально высокие температуры сразу после Большого взрыва. За это отвечают правило Е=mc^2 и слабое взаимодействие. А если вимпы — стабильные частицы, то они должны были дожить и до наших дней. Мы примерно знаем, сколько материи есть сейчас во Вселенной. Темная материя должна весить примерно в пять раз больше, чем вся обычная. Сколько темной материи осталось от Большого взрыва, зависит от двух факторов: сколько частиц темной материи существует на сегодняшний день и сколько весит каждая из них. У нас есть теоретические основания полагать, что масса вимпа темной материи более чем в 100 раз превышает массу протона. Общее количество вимпов определяется тем, насколько они были подвержены столкновениям и аннигиляции в период сразу после Большого взрыва. Зная примерную массу вимпа, можно приблизительно оценить, насколько легко они будут сталкиваться. Так мы рассчитаем, сколько из них сейчас обитает в космосе. Количество полученных нами вимпов с такой массой почти идеально соответствует тому, сколько темной материи должно быть в нашей Вселенной.

То была длинная и, возможно, чересчур заумная череда аргументов и умозаключений. Суть в том, что благодаря знаниям физики элементарных частиц можно подсчитать, сколько должно быть вимпов во Вселенной сегодня, если они, конечно, существуют. Это число прекрасно согласуется с количеством темной материи, которое мы рассчитываем найти в ходе наблюдений за космосом. Это и есть «чудо вимпа»: они идеальные кандидаты на роль частицы темной материи по мнению как физиков, так и астрономов.

Но тут возникает проблема. Предположим, вимпы действительно ведут себя именно так: масса у них чуть более чем в 100 раз превышает массу протона, а сталкиваются они именно так часто, как мы думаем. Ну тогда эксперименты по поиску вимпов должны были уже давно справиться со своей задачей. Но этого почему-то не произошло. По крайней мере никаких однозначных открытий сделано не было. Вот так «чудо вимпа» и превратилось в проклятие. Если эти частицы существуют, почему же наши эксперименты их не улавливают? Многие считают, будто вимпы скрываются за пределами досягаемости сегодняшних экспериментов и вот-вот будут обнаружены.

Когда я говорю, например: «У нас есть теоретические основания полагать», это не означает, что подобным утверждениям следует безоговорочно верить. Пока мы точно не знаем, что в и мп за частица, так что сложно сказать что-то конкретное о ее поведении, массе и так далее. Тем не менее давайте взглянем на некоторые аспекты физики, скрывающиеся, по нашему мнению, за пределами Стандартной модели. Одна из наиболее обсуждаемых гипотез — существование того, что называют суперсимметрией. Многие физики убеждены, что существует суперсимметрия и в скором времени мы откроем целую кучу так называемых суперпартнеров. Что же такое суперсимметрия? Каким образом она поможет нам разобраться с вимпами? И как тогда обнаружить такой вимп? Давайте-ка посмотрим, что предлагает нам суперсимметрия.

Симфония сверхсимметрий

В Стандартной модели мы оперируем четырьмя различными фундаментальными взаимодействиями: гравитационным, электромагнитным, сильным и слабым. Но действительно ли четыре взаимодействия — полностью независимые явления? Или же это просто разные проявления некой первичной силы, из которой все и берет начало? Объясню на примере: вот представьте, что идете по улице и внезапно ощущаете, как вам заехали кулаком в спину и ногой в ногу. Вы ощутили два разных удара, но вполне естественно предположить, что в обоих инцидентах виновен один первобытный кретин.

История современной физики — это череда объединения все большего количества явлений, прежде считавшихся независимыми. Классический тому пример — работы Джеймса Клерка Максвелла, которого я упоминал ранее. В середине XIX века ему удалось объединить электричество и магнетизм в единую систему. Он доказал, что электричество и магнетизм — это две стороны одной медали, связал два природных явления. Кроме того, ученый обнаружил математическую симметрию между электричеством и магнетизмом. Например, когда магнитное поле исчезает, оно переходит в электрическое. И наоборот, электрическое переходит в магнитное.

Спустя более сотни лет, в 1979 году, Нобелевская премия по физике была присуждена трем физикам, сумевшим объединить два других взаимодействия. Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг удостоились премии «за вклад в объединенную теорию слабых и электромагнитных взаимодействий между элементарными частицами». Теперь электрические и магнитные силы были связаны не только друт с другом, но и со слабым взаимодействием. Таким образом, электромагнитное и слабое взаимодействия — это всего лишь два разных проявления одной и той же силы. Мы называем ее электрослабым взаимодействием. При достаточно высоких температурах, какие существовали сразу же после Большого взрыва или же в сегодняшних ускорителях частиц, электромагнитное и слабое взаимодействия фактически сливаются в единую силу. Это и есть электрослабое взаимодействие.

Не странно ли, что современные физики спят и видят объединение слабого и сильного взаимодействий? Объединенная теория, о которой все так мечтают, известна под названием Теории Великого Объединения, или — в узких кругах — просто ТВО. А еще неплохо бы объединить с остальными и гравитационное взаимодействие. Голубая мечта подавляющего большинства физиков-теоретиков — создать теорию, где все фундаментальные взаимодействия естественным образом вытекают из одной основополагающей теории. Такое гипотетическое объединение часто называют теорией всего, или единой теорией.

Самая известная на сегодняшний день попытка сформулировать теорию всего — это теория струн или ее вариант — теория суперструн. Согласно теории струн, природа в самой своей основе — это крошечные струны, существующие как минимум в десяти измерениях. Различные типы вибраций этих струн порождают все частицы и всё что мы можем наблюдать вокруг нас во Вселенной. Вот только откуда взялись десять измерений? Нам ведь и трех вполне хватает. Это да, но нельзя же исключать возможность существования большего количества измерений. Возможно, в них способны перемещаться лишь некоторые типы частиц либо эти дополнительные измерения настолько малы, что мы их просто не замечаем. Тем не менее теория струн носит спекулятивный характер и занимающиеся ей ученые пока далеки от разумных гипотез, поддающихся экспериментальной проверке. Для естественных наук характерна проверяемость предположений, поэтому некоторые ученые склонны считать, что теория струн ближе к математике или философии, чем к естественной науке.

Тем не менее во многих не угасает надежда, что объединить все фундаментальные взаимодействия возможно и что природа взаимодействий по сути до ужаса проста и основана на нескольких незамысловатых принципах. По крайней мере, эта идея уже доказывала свою состоятельность. Существует немало различных попыток найти более фундаментальные теории, но большинство из них объединяет одна отличительная черта. Ее мы и называем суперсимметрией. Вне зависимости от того, являетесь ли вы приверженцем теории струн или фанатом ТВО, помните: в научном сообществе считается, что суперсимметрия все же существует. А если она существует, то мы совсем скоро обнаружим ее экспериментально. А еще суперсимметрия может предоставить нам частицу вимп, тем самым разрешив проблему темной материи.

Получается, что основополагающая теория и эксперименты с самыми крошечными — такими, что меньше и не бывает, — элементарными частицами способны ответить на вопрос о том, что контролирует движение таких огромных галактик и их скоплений. По-моему, идея потрясающая!

Но что же такое суперсимметрия? Смотрите, все частицы в Стандартной модели делятся на два класса: фермионы (названные в честь Энрико Ферми, которого я постоянно вспоминаю) и бозоны (названные в честь индийского физика Шатьендранат Бозе). Все лептоны относятся к фермионам, в то время как переносчики взаимодействия и частица Хиггса — бозоны. Разница между фермионами и бозонами заключается в том, что мы называем квантовым спином, и именно он придает им некоторые характерные свойства. Не станем закапываться в подробности того, что такое спин и чем бозоны отличаются от фермионов. Сейчас нам куда важнее узнать, поможет ли суперсимметрия обнаружить вимпы. А она может предоставить нам целую кучу новых частиц. Ведь согласно суперсимметрии, для каждого фермиона должен существовать соответствующий суперсимметричный бозон. А для каждого бозона — суперсимметричный фермион. Такие частицы принято называть суперпартнерами. Скалярный суперпартнер электрона называется сэлектроном, партнер нейтрино — нейтра- лино, то есть к фермионам будет добавляться приставка «с−», а к бозонам — суффикс «−ино». Помимо этих суперпартнеров, как мы предполагаем, существуют еще и некоторые совершенно новые частицы, не имеющие прямого партнера в Стандартной модели.

Более того, мы рассчитываем, что все взаимодействия объединяет одна основная теория. А большинство подобных гипотез подразумевает существование суперсимметрии. И если все так и есть, то у нас сразу появится куча новых частиц.

На этом доводы в пользу существования суперсимметрии не заканчиваются: например, без суперсимметрии было бы трудно объяснить, почему масса бозона Хиггса именно такая, а не в разы больше. Объяснение того, как конкретно связана масса этой частицы с нашей гипотезой, займет уж слишком много времени. Однако эти частицы нам просто необходимы: на гипотезе о суперсимметрии покоятся базовые правила современной теории физики элементарных частиц!

Таким образом, появляется новая группа суперсимметричных частиц, без которых нашей теоретической модели никак не обойтись. Тем не менее в повседневной жизни таких суперсимметричных частиц мы точно не наблюдаем. Нет никакого параллельного суперсимметричного мира с людино, телефо- нино или лампино. Получается, не все идеально симметрично. Ни про наш, ни про тот зеркальный мир не скажешь, что все объекты симметричны. Но мы все же рассчитываем, что суперпартнеров можно создать в ускорителях частиц. Нам нужно всего-навсего заставить частицы врезаться друг в друга на огромных скоростях, чтобы получить достаточно тс для создания этих симметричных партнеров.

Суперсимметричных моделей множество — как говорится, всех форм и расцветок. Большинство простейших и наиболее изученных моделей объединяет достаточно низкая масса частиц, но для ускорителя БАК в ЦЕРНе это сложности не представляет. Тот факт, что на момент написания книги ученые еще не обнаружили следов суперсимметрии, уже доставляет немало хлопот тем, кто занимается физикой элементарных частиц. Может, уже совсем скоро исследователи докажут суперсимметрию или же окажется, что теория, стоящая за суперсимметрией, немного сложнее, чем мы думали? А может, вся концепция изначально была ошибочной? В какое удивительное время мы живем!

Так как же насчет вимпов? Считается, что большинство суперсимметричных частиц нестабильны, соответственно, живут они совсем недолго и вскоре распадаются и превращаются в другие частицы. Вот только легчайшая суперсимметричная частица, судя по всему, стабильна. И мы надеемся, что именно она займет место вимпа темной материи. Возможно, наиболее удивительный тип частиц в суперсимметричных теориях — это ней- тралино. Не исключено, что видов нейтралино множество, но легчайшие должны быть стабильны. Нейтралино — идеальный кандидат на роль вимпа: оно является своей собственной античастицей, следовательно, может аннигилироваться и оставлять улики, которые потом заметит, например, космический гамма-телескоп «Ферми» или магнитный альфа-спектрометр на МКС. Или же их обнаружат в подземных экспериментах с коллайдерами? Или вообще откроют после того, как в ЦЕРНе докажут существование суперсимметрии?

Вимпы — это кусочек большой запутанной головоломки. Весьма обнадеживает, что наши поиски не ограничиваются одним направлением. Если один эксперимент что-то обнаружит, то результат должен быть сопоставим с тем, что фиксируют остальные. И если найденные ими вимпы действительно образуют темную материю, то это открытие не должно противоречить нашим наблюдениям за Вселенной. И, прежде всего, темная материя также должна логично вписываться в теории, связанные с элементарными частицами. Вероятно, тут важную роль сыграет суперсимметрия.

Другие кандидаты

До этого момента мы говорили только о вимпах. Но, как я уже намекнул, перечислив забавные названия, существует ряд других предположений о том, чем может быть темная материя. Я не намерен читать вам целую лекцию обо всех кандидатах на роль частицы темной материи, да и книга эта стала бы просто неподъемной, но парочку альтернатив вимпам я бы все же рассмотрел.

Интересный вариант — это так называемые стерильные нейтрино. Вы, возможно, помните три нейтрино из Стандартной модели. У них еще была очень низкая масса, а подчинялись эти частицы, помимо гравитационного взаимодействия, только слабому. Забавная особенность нейтрино заключается в том, что они ведут себя как трансвеститы Стандартной модели (я же говорил, что они крутые). Вы можете выпустить на волю, например, электронное нейтрино, но, если чуть позже поймать это же нейтрино, может оказаться, что оно превратилось в мюонное нейтрино или в тау-нейтрино. Эта способность нейтрино перевоплощаться не позволяет нам исключить возможность существования новых частиц: что, если три разных нейтрино из Стандартной модели могут так же преобразоваться в один или несколько других типов нейтрино, которые мы еще не обнаружили? И раз они пока не открыты, то, похоже, они не участвуют даже в слабом взаимодействии. Эти нейтрино будут ощущать лишь гравитационные силы. Такие частицы и называются стерильными нейтрино: они ощущают только гравитационное взаимодействие, но в то же время связаны со всем знакомой Стандартной моделью, в которой нейтрино превращаются из стерильных в обычные и наоборот. Темная материя не может состоять из обычных нейтрино, потому что они слишком легкие. А стерильным нейтрино ничто не мешает весить в разы больше, так что темная материя, вполне возможно, полностью или частично состоит из них.

Среди наиболее популярных кандидатов — частица под названием аксион. Точно так же, как и суперсимметричные частицы, аксионы — это гипотетические частицы, придуманные для того, чтобы Стандартная модель выглядела более красиво и логично. Основная задача аксионов — объяснить симметрию в сильном взаимодействии, но в подробности я вдаваться не буду. Если такие частицы существуют, то являются прекрасными претендентами на роль темной материи. Но самое занятное в этой гипотезе следующее: ожидается, что аксионы будут неприлично легкими, даже легче нейтрино. Вот только образуются они совсем по-другому, поэтому все равно могут оказаться темной материей. Поэтому предполагается, что они, даже несмотря на низкую массу, способны двигаться с относительно малой скоростью. Аксионы появляются и в теориях суперсимметрии, что делает их еще более привлекательными кандидатами на роль темной материи. Единственная проблема — пока эти частицы, понятное дело, никто не видел.

Есть еще сильно взаимодействующие частицы (SIMP). Это своего рода ответ сильного взаимодействия вимпам (слабовза- имодействующим массивным частицам). Пока симпы не настолько хорошо вписываются в наблюдения и теорию физики элементарных частиц, как вимпы. Но в любом случае сбрасывать их со счетов не стоит, а если открытие вимпом темной материи заставит себя ждать, то у симпов есть все шансы стать более популярными.

Помимо вимпов и симпов, предполагается существование различных классов частиц темной материи, способных взаимодействовать только друг с другом, игнорируя другие частицы Стандартной модели. Такие модели часто называют самовзаи- модействующей темной материей.

Охота на темную материю — отличный пример того, как взаимодействуют в наше время изучающая самые огромные из существующих объекты астрономия и физика элементарных частиц, объектом исследований которой является микромир. В одиночку физики, изучающие элементарные частицы, не смогут ответить на вопрос, что же все-таки представляет собой темная материя. Без помощи астрономов им не обойтись. Если астрономы смогут доказать, что Вселенная наполнена, скажем, вимпами, симпами или самовзаимодействующей темной материей, то у физиков, ищущих более всеобъемлющие теории, чем Стандартная модель, появится новая информация, и она существенно облегчит им задачу. Мы живем во времена, когда микроскопическая физика элементарных частиц столкнулась с наукой о Большом взрыве и наблюдениями за самыми огромными структурами, которые только существуют во Вселенной. Вот и сошлись два противоположных конца физической измерительной рулетки.

«МАЧО» бросают вызов маленьким частицам

Как вимпы с симпами, так и стерильные нейтрино с аксионами являются представителями еще неоткрытых элементарных частиц, обитающих в микрокосмосе. Но существуют также и претенденты с более осязаемыми размерами. Уже на протяжении многих десятилетий научное сообщество обсуждает неких «мачо» (англ. MACHO). Может показаться, будто у вимпов появился массивный старший брат. И не зря, ведь «мачо» действительно крупнее. Аббревиатура расшифровывается как Massive Astrophysical Compact Halo Object, то есть массивный астрофизический компактный объект гало. Не самая образная расшифровка, но ради красивого названия можно и потерпеть. MACHO — это общий термин для больших объектов, состоящих из обычного вещества, которое ведет себя как темная материя. К таким объектам относятся, к примеру, коричневые карлики — «звезды-неудачники», чья масса слишком мала, чтобы они начали поддерживать стабильную ядерную реакцию и засветились. А еще это может быть нейтронная звезда или вообще черная дыра — эти настолько массивны, что даже свету не удается вырваться из их гравитации. Гало — это название сферической области, окружающей спиральные галактики, такие как Млечный Путь. Суть концепции MACHO заключается в том, что существует большое количество объектов, которые трудно заметить в гало галактик. Это вполне могло бы объяснить такие явления, как кривые вращения Рубин и быстрые галактики Цвикки.

MACHO представляют собой попытку решить проблему темной материи, не привлекая никаких новых экзотических частиц. И сама по себе эта идея неплоха. Зачем городить новый гипотетический огород, когда темную материю можно трактовать как обычную, просто невидимую? Проблема в том, что идея «МАЧО» не объясняет всех наблюдений, ради которых нам и понадобилась темная материя. Больше всего в глаза бросается реликтовое излучение, образовавшееся задолго до того, как звезды и им подобные объекты появились во Вселенной. В тот период субстанция, называемая сегодня «МАЧО» вела бы себя точно так же, как другая обычная материя. Очевидно, что для объяснения реликтового излучения этого недостаточно. А еще нам нужна несталкивающаяся частица, но и тут «МАЧО» в пролете. Есть и другая проблема: постоянно совершенствующиеся наблюдения за гало Млечного Пути указывают на то, что количество «МАЧО» не хватает для объяснения быстрого вращения Галактики. Когда-то идея о том, что большую часть темной материи составляют именно «МАЧО», пользовалась популярностью, особенно в 1990-х годах. Но в настоящее время от нее практически отказались.

2.14. Проклятие карликовых галактик

Темная материя могла показаться вам волшебным ингредиентом, при добавлении которого теория и наблюдения идеально совпадут друг с другом. Но вот факт существования наблюдений, скорее опровергающих наличие большого количества темной материи во Вселенной, мы как-то упустили из виду. Больше всего чувства фанатов темной материи задевают карликовые галактики.

Помните, я упоминал карликовые галактики, когда говорил о телескопе «Ферми»? Это небольшие галактики, которые обычно обращаются вокруг более крупных, и мы знаем более 20 таких карликов, вращающихся вокруг Млечного Пути. 20 — это уже немало, но на самом деле их должно быть еще больше!

(На настоящий момент их более шестидесяти. Редактор.)

Астрофизики пришли к этому выводу благодаря компьютерному моделированию эволюции Вселенной. Если мы попытаемся смоделировать формирование галактик во Вселенной, в которой темной материи в пять раз больше обычной, то появится целая уйма карликовых галактик. Количество этих галактик в симуляции где-то в десять раз превосходит то, что мы наблюдаем в действительности. Компьютерное моделирование расходится с реальностью. Получается, весь сценарий с темной материей потерпел крах? Вовсе нет. Учитывая, что темная материя так хорошо справлялась с объяснением столь многих различных свойств Вселенной, то всего нескольких пропавших без вести карликовых галактик будет маловато для опровержения целой концепции.

Тем не менее проблему карликовых галактик не стоит сбрасывать со счетов, и многие исследовательские группы как раз изучают, почему мы видим так мало таких галактик. К счастью, на это может быть сразу несколько причин.

Одна из возможных причин проблемы — недостаточно совершенные компьютерные модели. Все-таки воссоздание процесса рождения галактик на компьютере — задачка не из легких. Необходимо учитывать абсолютно все: от гравитационных сил, действующих на больших расстояниях, до того, что происходит, когда массивные звезды умирают и взрываются. Как бы это странно ни звучало, но моделирование галактик намного сложнее в исполнении, чем, например, моделирование условий во Вселенной уже после появления реликтового излучения. Можно предположить, что по мере совершенствования технологий расхождение между моделью и реальностью уменьшится. Например, более важную роль начинают играть взрывающиеся звезды, то есть сверхновые. Ударная волна от взорвавшейся огромной звезды могла бы выдуть большую часть обычного вещества из карликовой галактики. Несталкивающая ся же темная материя не станет обращать внимания на какие-то ударные волны и прочую чепуху и может спокойно остаться в маленьких галактиках. И тогда в карликовых галактиках будет настолько мало обычного вещества, что их вообще будет трудно заметить.

В последние годы астрономы обнаружили несколько карликовых галактик вблизи Млечного Пути. Похоже, моделирование и практические наблюдения постепенно начинают все больше соответствовать друг другу. Может, проблема с пропавшими карликовыми галактиками не так уж и велика?

Другие исследователи используют карликовые галактики как отправную точку для новых гипотез о сущности темной материи. Например, одна исследовательская группа предположила, что темная материя может быть не полностью невидимой, а лишь почти невидимой. А еще — что темная крайне редко, но все же взаимодействует со светом. Когда они пытаются включить такие причудливые частицы темной материи в свои модели, получается, что карликовых галактик образуется меньше. Но чтобы такая модель была способна выдержать критику, она должна быть в состоянии дать ответы на все вопросы о темной материи. А для этого придется снова проводить множество расчетов и строить модели. К тому же нужно будет как-то объяснить, почему до этого частиц темной материи не обнаружил ни один эксперимент.

Охота на темную материю — это огромный пазл, и многим кусочкам еще только предстоит оказаться на своем месте. Карликовые галактики — один из таких кусочков. Подавляющее большинство астрономов, в том числе и я, практически уверены, что темная материя существует, несмотря на проблему карликовых галактик.

Тем не менее многие без особого энтузиазма относятся к перспективе поиска огромного количества невидимой материи для объяснения наблюдаемой нами Вселенной. Не являясь ярыми противниками концепции темной материи, они, однако же, считают разумным рассмотреть альтернативные варианты. Ведь для развития науки такие альтернативные идеи абсолютно необходимы. В этом и заключается суть науки: разные идеи сталкиваются друг с другом, пока практические наблюдения за реальностью в конце концов не определят победителя. Но какие могут быть альтернативы у темной материи?

2.15. А что, если темной материи не существует?

Пока я приводил аргументы только в пользу существования темной материи. Сначала я перечислил серию наблюдений, которые трудно было бы объяснить без темной материи: мы изучили гравитационное линзирование, скопление галактик Пуля, скорости галактик и их скоплений, кривые вращения спиральных галактик, а также неоднородность реликтового излучения. У многих наблюдений есть нечто общее: они жаждут, чтобы мы ввели во Вселенную дополнительные гравитационные силы. Например, нам нужна дополнительная гравитация для того, чтобы звезды не разлетелись в разные стороны из вращающихся галактик, а сами галактики — из скоплений галактик. Из этой ситуации мы выходили, вводя темную материю, которая решала наши проблемы, добавляя недостающие гравитационные силы. Но существует и альтернативный подход. Давайте представим, что никакой темной материи не существует. Правда, даже в этом случае нельзя сбрасывать со счетов наблюдения, указывающие на недостаток гравитационных сил. Но вместо того, чтобы вводить невидимую таинственную субстанцию, которая создает эти гравитационные силы, мы можем предположить, что несостоятельна сама теория. Но разве наши законы гравитации уже не прошли всевозможные проверки? Имеет ли смысл вообще о них рассуждать? Понятное дело, убедиться в точности законов гравитации можно, бросая камни с высоких башен, проводя эксперименты с маятниками или изучая движение планет и спутников в Солнечной системе. В результате подобных экспериментов создается впечатление, будто этот вопрос мы изучили досконально. Но ведь и гравитационные аномалии возникают не в Солнечной системе, а в отдаленных галактиках, скоплениях галактик или во всей Вселенной. А ведь галактики в разы крупнее нашей Солнечной системы — речь идет о расстояниях, более чем в миллиард раз превышающих расстояние между Землей и Солнцем. Наверняка мы знаем, как работает гравитация только в Солнечной системе. Откуда наша уверенность, что в далеких галактиках все так же, как у нас?

Итак, выбор не особо велик: либо мы вводим новые частицы, либо пересматриваем сам закон гравитации. Сторонники есть у обоих подходов, хотя желающие изменить закон гравитации все же остаются в меньшинстве. В истории астрономии подобные конфликты уже случались. Давайте подробнее рассмотрим крайне показательный пример с планетами нашей Солнечной системы.

К началу XIX века астрономы узнали о некоторых аномалиях в движении планеты Уран. На тот момент это была наименее изученная планета Солнечной системы. Особенности движения Урана заключаются в том, что реальная орбита планеты не совпадает с вычислениями, опирающимися на закон всемирного тяготения. Можно было начать искать новую планету за пределами Урана, которая бы слегка притягивала его и влияла на траекторию. Или же можно было пересмотреть закон всемирного тяготения. Ведь совсем не факт, что закон, объясняющий движение ближайших к Солнцу планет, будет действовать и на более внушительных расстояниях — там, где находятся Уран и более дальние объекты.

Если всему виной действительно новая планета, значит, ее можно обнаружить. Примерно в 1845 году два астронома независимо друг от друга провели расчеты, показавшие, где могла бы находиться новая планета, влияющая на орбиту Урана. Этими двумя астрономами были француз Урбен Ле-верье и британец Джон Адамс. Последовавшие горячие споры о том, кому именно удалось первому предвычислить существование новой планеты, отчасти объясняются национальной принадлежностью ученых. Тем не менее больший вклад в открытие внесли расчеты француза. Неверье отправил в берлинскую обсерваторию астроному Иоганну Готтфриду Галле письмо с подробными указаниями, где и как искать новую планету. Галле получил письмо 23 сентября 1846 года. В тот же вечер была открыта новая планета в одном градусе от предсказанного Неверье положения. После долгих раздумий планету назвали Нептуном.

Истории планеты Нептун и темной материи очень похожи. Подоплекой были аномалии в движении уже известного небесного тела, и эти движения стали основанием для предсказания чего-то совершенно нового. Пересматривать закон всемирного тяготения не пришлось. Может, и с темной материей все сложится так же? Астрономы заметили аномалии в поведении видимого вещества. Это привело к постулированию нового вида частицы, после чего астрономы рассказали физикам, как такие частицы должны себя вести. Единственная разница, понятное дело, в том, что темную материю еще не открыли. Но и история Левсрье закончилась не на этом.

Оказалось, что не только Уран обращался по несколько странной орбите. То же самое замечали и за ближайшей к Солнцу внутренней планетой — Меркурием. Как и любая другая планета, Меркурий движется вокруг звезды по орбите в виде эллипса. Ближайшая к Солнцу точка орбиты называется перигелием. Особенность Меркурия состоит в том, что его перигелий каждый год немного смещается — совсем незначительно, всего где- то полтора градуса за столетие.

(В инерциальной системе отсчета это смещение составляет 574 в столетие, а не объясненное Ньютоновой теорией смещение составляет всего 43 в столетие.)

Наблюдая за перигелием Меркурия, Леверье понял, что этот эффект не объяснить известными фактами о Солнечной системе и гравитации. Окрыленный успехом с Нептуном, Леверье в 1859 году постулировал существование еще одной новой планеты — Вулкана, якобы находящейся внутри орбиты Меркурия. А то, что Вулкан никто никогда не видел, вполне объяснимо: планета находится настолько близко к Солнцу, что с наступлением темноты ее уже невозможно разглядеть. Больше всего шансов обнаружить Вулкан существует, когда он проходит на фоне Солнца. В этом случае можно заметить темное пятно, пересекающее солнечный диск.

И ведь так все и произошло. Вскоре Леверье получил письмо от французского астронома-любителя, где сообщалось, что тот наблюдал движение характерного темного объекта вдоль солнечного диска. Леверье посетил астронома, убедился во всем лично и в январе 1860 года на заседании Французской академии наук объявил об открытии Вулкана. Однако убедить всех присутствующих ему не удалось. Один бразильский астроном даже утверждал, что в период открытия новой планеты как раз изучал Солнце, но никаких черных пятен на звезде не наблюдал.

В последующие годы Леверье получил немало сообщений от тех, кто утверждал, будто видел Вулкан. Леверье использовал эти сообщения для вычисления следующего пересечения планетой диска Солнца, но его вычисления раз за разом оказывались несостоятельными. Говорят, что до самой своей смерти в 1877 году ученый не сомневался в существовании Вулкана.

Через какое-то время интерес к Вулкану в астрономической среде угас. Но что ни делается — все к лучшему, ведь сегодня мы точно знаем, что Вулкана не существует. Решение этой головоломки нашел Альберт Эйнштейн, опубликовавший в 1915 году окончательный вариант своей «Общей теории относительности». То была новая теория гравитации. Когда речь идет о Солнечной системе, вычисления, основанные на общей теории относительности и старой доброй теории всеобщего тяготения, не сильно разнятся. Но некоторые отклонения все же прослеживаются. К тому же теория Эйнштейна прекрасно справилась с объяснением отклонений в движении Меркурия, и для этого не понадобилось никаких новых планет.

В случае с Вулканом потребовалась не новая составляющая, а новая теория гравитации. Так что если открытие Нептуна — удачный пример внедрения новых элементов во Вселенную, то с Вулканом ситуация обратная. До этого момента мы допускали только то, что темная материя бывает — это своеобразный Нептун. А вот может ли она оказаться Вулканом?

Из истории о Вулкане можно вынести и еще один урок. Большинство из заметивших Вулкан, вероятно, сами в это искренне верили. То были сознательные астрономы, убежденные в том, что действительно видят реальную планету. Ведь желаемое разглядеть легче. К счастью, современные астрономы и физики проводят более точные измерения, а их умозаключения более надежны, чем во времена популярности Вулкана. Но человеческая психология неизменна, и неважно, пытаемся ли мы разглядеть в телескоп Вулкан или же выслеживаем частицу темной материи в сверхчувствительном детекторе. Когда возможности наших экспериментов и логики и так доведены до предела, к тому, что видишь, лучше относиться с долей недоверия. Особенно когда у нас есть четкое представление о том, что именно мы хотим увидеть.

Альтернатива Милгрома

Самая известная попытка модифицировать закон всемирного тяготения вместо признания темной материи была предпринята в 1983 году. Ее автором стал израильский физик с жутковато звучащим именем — Мордехай Милгром. Это было еще до появления достоверной информации о реликтовом излучении и скоплении галактик Пуля. Милгром ставил перед собой задачу объяснить движение спиральных галактик, не прибегая к гипотезе о темной материи.

Согласно ньютоновскому закону всемирного тяготения, с увеличением расстояния до объекта действие его гравитационных сил будет ослабевать. А если быть точнее, гравитация ослабевает вчетверо каждый раз при удвоении расстояния (или — для тех, у кого есть склонность к математике, — сила тяжести обратно пропорциональна квадрату расстояния). Милгром разработал теорию, согласно которой гравитация следует закону Ньютона в областях, где притяжение относительно сильное, например, внутри нашей Солнечной системы. Но если мы посмотрим на звезды на окраинах галактик, притяжение будет слабее. При каждом увеличении расстояния гравитация там будет уменьшаться вдвое, а не вчетверо, как у Ньютона (сила тяжести обратно пропорциональна расстоянию, а не квадрату расстояния).

(Теорию MOND можно интерпретировать двумя способами: либо меняются законы гравитации, либо второй закон Ньютона для инерции. Я придерживаюсь первой интерпретации, а Милгром же основывал свои выводы исключительно на второй. То, что я все же смотрю на MOND как на изменение силы тяжести, делается для простоты объяснений. Для нас результат все равно будет таким же.)

Теория Милгрома получила название Модифицированной ньютоновской динамики и сегодня наиболее известна под аббревиатурой MOND (Modified Newtonian dynamics).

В MOND самые удаленные звезды в галактике обладают более сильной гравитацией, чем в теории Ньютона. Поэтому они и двигаются быстрее, но при этом не улетают за пределы своей галактики. С помощью MOND Милгрому удалось объяснить кривые вращения спиральных галактик ничуть не хуже, чем приверженцам темной материи. И, наверно, ничего удивительного в этом нет, ведь MOND и была создана именно для объяснения аномального вращения спиральных галактик. Позже оказалось, что теория отлично справляется и с объяснением некоторых других аспектов, связанных с движением объектов в галактиках. Ведь галактики бывают всевозможных размеров и форм, и во многих случаях MOND ничем не уступает гипотезе темной материи.

Тем не менее у MOND не так много последователей среди астрофизиков, потому что в теории не все так гладко. Первая сложность заключается в том, что MOND нельзя считать полноценной теорией гравитации. Как я упоминал ранее, закон всемирного тяготения Ньютона был во многом заменен общей теорией относительности Эйнштейна в 1915 году. Мы подробнее рассмотрим теорию относительности, когда начнем обсуждать темную энергию, но уже сейчас скажу, что с помощью этой теории можно объяснить не только движение перигелия Меркурия. Основной задачей ученого было создать теорию без противоречий. А это среди прочего затрагивало несовместимость теории с уравнениями Максвелла, согласно которым скорость света постоянна независимо от того, кто ее измеряет. В теорию Ньютона это не укладывается. Эйнштейну удалось согласовать законы Максвелла с законами гравитации, создав таким образом теорию, которая была гораздо более последовательной, чем у Ньютона. Тем не менее для большинства явлений вокруг нас теории Эйнштейна и Ньютона дадут примерно одинаковые результаты. И когда мы посмотрим, например, на кривые вращения галактик, то получим практически аналогичные результаты независимо оттого, используем мы теорию Эйнштейна или Ньютона.

Если сравнивать теории Ньютона и Эйнштейна, то производить расчеты гораздо проще по первой. Поэтому нет ничего удивительного в том, что Милгром при работе над теорией модифицированной динамики отталкивался от закона всемирного тяготения Ньютона. Но и у этой теории все та же проблема: ей никак не стать целостной гравитационной теорией. MOND — это первая попытка объяснить вращение галактик, не вводя понятия «темная материя», однако эта теория недостаточно фундаментальна. Позднее появились более полные и последовательные теории, которые примерно так же объясняют аномалии движения в галактиках. Но подобно тому, как MOND представляет собой более сложную версию законов Ньютона, эти теории — усложненные версии теории относительности Эйнштейна. Это создает две проблемы. Во-первых, сложность вычислений, основанных на теории относительности, затрудняет работу с другими явлениями Вселенной. Касается это, например, пятен на реликтовом излучении. Во-вторых, красотой такие теории уж точно не отличаются. Наиболее привлекательными для физики и астрономии всегда были наиболее простые и красивые теории. Физики склонны недолюбливать дополнительные усложняющие факторы в уравнениях. В этом смысле MOND и его более последовательные собратья уступают теориям Ньютона и Эйнштейна. А еще есть субъективная оценка: что будет выглядеть «уродливее» — искажение красивых теорий или введение во Вселенную новой невидимой материи?

Но у MOND есть недочеты не только на теоретическом и «эстетическом» уровнях. Да, теория превосходно работает в галактиках, но вот на уровне скоплений галактик все уже не так безоблачно. Чтобы объяснить скорости галактик в скоплениях, даже MOND не обойтись без темной материи. Безусловно, реально обойтись и меньшим количеством темной материи в скоплениях галактик, если использовать MOND в качестве теории гравитации. Да и темной материи необязательно состоять из нового типа частиц, возможно, она — обычное вещество, которое мы просто не видим. И тем не менее если MOND без темной материи тоже не справляется, то звание идеальной альтернативы она теряет.

Еще один камень преткновения — реликтовое излучение. Для объяснения этого феномена нам нужна достаточно последовательная теория наподобие эйнштейновской. A MOND к таким точно не относится, хотя она и позволяет сделать некоторые грубые расчеты, касающиеся пятен на реликтовом излучении. Пока теория и наблюдаемая карта пятен особо не совпадают, если только не добавить темную материю. Как по мне, так это ахиллесова пята Модифицированной ньютоновской динамики. Реликтовое излучение сформировалось, когда Вселенная была еще достаточно упорядоченным местом — без взрывающихся звезд или других осложняющих факторов, а потому все физические явления того времени должны быть вполне логичными. Где-где, а в соответствии реальности и гипотезы теория Милгрома проигрывает темной материи.

Но кто знает? MOND — лишь один из возможных вариантов пересмотра законов гравитации. Несовпадение MOND с наблюдениями совсем не означает, что создание адекватных альтернативных теорий гравитации в принципе невозможно.

Я побывал на нескольких лекциях, посвященных MOND и другим альтернативным теориям гравитации, которые обходятся без темной материи. Такие лекции никогда не проходят без моря вопросов. «А как тогда быть с Пулей? Ее ваша альтернативная теория гравитации тоже объясняет?» В этом скоплении галактик ясно «видно», что темная материя прошла прямо сквозь столкновение, в то время как обычная материя замедлилась. Ответы, как правило, звучат не особо убедительно. Скопление галактик Пуля — головная боль для тех, кто хочет заменить темную материю альтернативной теорией гравитации.

2.16. Так существует ли темная материя?

Так что же получается? Темная материя — это Нептун или Вулкан? Как уже говорил, я сам придерживаюсь мнения большинства астрономов и почти уверен, что темная материя существует.

Должно же быть какое-то объяснение у наших наблюдений за Вселенной. Мы рассмотрели ряд примеров, и все они указывают в сторону темной материи. Игнорировать проблему карликовых галактик не стоит, но все же галактики представляют собой сложные системы, в которых мы еще не полностью разобрались, и есть неплохой шанс, что проблема исчезнет, когда наши знания усовершенствуются.

В начале книги я писал, что смелые заявления требуют надежных доказательств — это я намекал на самонадеянное заявление о том, что Вселенная состоит на 95 процентов из темной материи и энергии. Пусть темная энергия немного постоит в сторонке, а вот что насчет темной материи? Есть ли у нас надежные доказательства ее существования? Ну если честно, то… нет. У нас есть ряд наблюдений за совершенно разными свойствами Вселенной, и все, как одно, свидетельствуют о существовании темной матери, а это неплохой знак, скажу я вам.

Но теперь остался последний кирпичик — открытие частицы темной материи. И только когда физика элементарных частиц и астрофизика, досконально изучив даже самые незначительные мелочи, сойдутся на едином мнении, мы получим те самые надежные доказательства.

Я постарался донести и еще одну мысль: заявление о существовании большого количества темной материи, возможно, в конце концов, не такое уж смелое. Мы уже изучили невидимые частицы, встречающиеся в огромных количествах, — нейтрино. Мы также знаем, что Стандартная модель физики элементарных частиц не дает нам полной картины микроскопического мира. У нас есть веские основания полагать, что большое количество невидимых частиц пока просто не удалось обнаружить. В общем, признаки существования темной материи имеются, так что эту гипотезу чересчур смелой не назовешь.

А как быть с альтернативными теориями, например MOND? Они неплохо справляются со своей задачей внутри галактик, а вот за их пределами дела обстоят хуже. Сегодня вопросов к ним гораздо больше, чем к концепции темной материи. И тем не менее даже здорово, что остались ученые, старательно изучающие альтернативные гипотезы. Пока частица темной материи не найдена, рано полностью забрасывать иные варианты.

Ранее в книге мы использовали наблюдения Веры Рубин за вращающимися галактиками как один из нескольких убедительных фактов, указывающих на существование темной материи. Так что же получается, Вера Рубин — мать темной материи? В 2005 году в интервью научно-популярному журналу New Scientist она заявила: «Если бы я имела возможность выбирать, то предпочла бы, чтобы дальние гравитационные взаимодействия могли быть описаны модифицированными законами Ньютона. Мне это представляется более привлекательным, чем необходимость допущения неизвестного до сих пор вида элементарных частиц».

Вера Рубин мечтала о MONO.

3. Темная энергия

Темную материю и темную энергию я проиллюстрировал с помощью яблок в саду Исаака Ньютона. Яблоко из темной материи было не только невидимо, но и проходило сквозь землю, при этом не замедляясь. Находясь в саду Ньютона, мы также познакомились с темной энергией. Яблоко из темной энергии было таким же невидимым, как и яблоко из темной материи, но оно падало вверх! Темная энергия действует как отталкивающая сила гравитации.

3.1. Так экзотична, так проста!

Как я упоминал в начале книги, считается, что Вселенная состоит на 5 процентов из обычной материи, на 25 — из темной материи и на 70 — из темной энергии. Только представьте: больше половины книги уже позади, но только сейчас мы приступаем к главному ингредиенту Вселенной — темной энергии. Почему же ей достается намного меньше внимания, чем темной материи? Одна из причин, конечно же, заключается в том, что мы уже потратили много времени на изучение общих свойств Вселенной и способов наблюдения за ними. Мы поняли, что такое скопления галактик и реликтовое излучение. Теперь настало время пожинать плоды наших стараний. Другая причина заключается в том, что мы знаем о темной энергии гораздо меньше, чем о темной материи. Например, нет никаких экспериментов по поиску частицы темной энергии.

Но третья и, возможно, самая основная причина того, почему на темную энергию нам потребуется меньше времени, вот какая: темная энергия ведет себя гораздо проще. Понимаю, звучит странно. Когда явление настолько экзотично, что одновременно и невидимо, и связано с отталкивающей гравитацией, вполне естественно ожидать еще и эффектного поведения. Но именно отталкивающая гравитация обуславливает простоту темной энергии.

На карте реликтового излучения мы наблюдали множество пятен. Узор из пятен говорит о том, что в определенных точках Вселенной материя распределялась чуть более плотно, а в каких-то — чуть менее. Я еще назвал их семенами, из которых впоследствии произросло все во Вселенной. Дело в том, что гравитация притягивает обычную (ну и темную) материю. Силы притяжения заставляли плотные области притягивать к себе все больше и больше материи и становиться еще плотнее. Это, в свою очередь, усиливало гравитацию, а и без того плотные сгустки вещества впитывали еще больше материи. Из-за гравитации неоднородности во Вселенной постоянно усиливаются. А вот и результат: на сегодняшний день неоднородная Вселенная заполнена областями со сгустками материи, такими как скопления галактик, галактики и звезды. Пространство же между ними, по большому счету, пусто.

Этот эффект можно сравнить с распределением людей в большой столовой. Давайте представим, что места там гораздо больше, чем желающих пообедать. Общительным людям во время обеда свойственно садиться рядом. То есть получается, что большинство столов останутся совсем пустыми, в то время как у некоторых и яблоку будет негде упасть. Люди притягивают друг друга и объединяются в несколько групп.

Обратный эффект в той же столовой создают интроверты- одиночки, которые просто хотят спокойно пообедать, читая газету. Тогда можно представить, что между людьми тоже существуют некие отталкивающие силы. Все новоприбывшие из таких одиночек постараются сесть подальше от ближайшего соседа. В результате все рассядутся достаточно равномерно. И вместо скоплений тех, кто любит пообщаться, перед нами появится равномерная и одиночная рассадка.

То же самое происходит и с темной энергией. Отталкивающая гравитация заставляет темную энергию противостоять образованию скоплений. Вместо этого она накрывает Вселенную тонким ровным одеялом. А без скоплений все становится гораздо проще: никаких комков ни в галактиках, ни в скоплениях галактик — все однородно.

(Строго говоря, темная энергия может немного накапливаться, в зависимости от того, что на самом деле из себя представляет. Но космологическая постоянная не образует сгустков темной энергии.)

3.2. Ускоряющееся расширение Вселенной

Темная энергия связана с мощными взрывами звезд, протяженностью волн в миллиарды галактик и судьбой Вселенной. С темной энергией связан также величайший ум прошлого столетия, Альберт Эйнштейн, и его «величайшая ошибка».

Но раз темная энергия распределена по миру равномерно, напрашивается вопрос: как же нам ее обнаружить? Или вообще понять, что темная энергия из себя представляет? А ответ такой: надо изучить историю Вселенной, ведь так отталкивающая гравитация наверняка хоть где-то, да проявит себя.

Вселенная расширяется

Вселенная не статична, а постоянно расширяется. Это стало известно уже в 1920-х годах, благодаря наблюдениям, которые вымостили дорогу к современным представлениям о Вселенной, порожденной Большим взрывом. Давайте-ка посмотрим, как открыли расширение Вселенной. Это по меньшей мере просто интересно. А еще метод исследования был практически идентичен тому, при помощи которого спустя почти 70 лет открыли темную энергию.

Все началось в 1915 году. Тогда Альберт Эйнштейн закончил работу над общей теорией относительности — к ней мы вскоре вернемся. Затем американский астроном Весто Слай- фер опубликовал результаты серии измерений, которые показали, что большинство галактик удаляется от нас. Однако измерения Слайфера были довольно неточными, а потому окончательный вывод о расширении Вселенной сделали лишь через несколько лет.

Следующий научный прорыв произошел в 1929 году благодаря наблюдениям американского астронома Эдвина Хаббла. Ученый измерил расстояние до 24 галактик и их красное смещение. Он определил расстояния, измерив яркость цефеид, звезд с известной светимостью, так же как это ранее сделал Фриц Цвикки. И, кстати, красное смещение тоже должно было вам напомнить о Фрице Цвикки и Вере Рубин. Как и эти ученые, Хаббл вспомнил тот факт, что у газов уникальные «отпечатки пальцев» — так называемые спектральные линии, то есть каждый газ излучает световые волны определенной длины. И точно так же, как Цвикки и Рубин, Хаббл обращал внимание на то, насколько смещались эти длины волн, и использовал это впоследствии для измерения скорости удаления или приближения галактик относительно Солнечной системы. Результат оказался ошеломляющим. Выяснилось, что чем больше расстояние между галактиками, тем выше скорость их взаимного удаления друг от друга. И это едва не перевернуло наши представления о Вселенной.

Жорж Деметр осознал значение наблюдений Хаббла. Фотография, вероятно, сделана в 1933 году.

Хоть исследования и проводил Хаббл, вовсе не ему на ум пришла новаторская и правильная интерпретация данных. А додумался до этого бельгийский священник и астрофизик Жорж Леметр.

(До Леметра это сделал российский ученый А. А. Фридман, опубликовавший в 1922 г. в ведущем европейском журнале «Zeitschrift fur Physik» нестационарные решения уравнений Эйнштейна, описывающие расширяющуюся Вселенную. Редактор.)

Еще в 1927 году, за два года до статьи Хаббла, он сформулировал модель Вселенной, которая объясняла наблюдения американского коллеги. К сожалению, работу Леметра опубликовали в небольшом бельгийском научном журнале, а международную известность она получила лишь в 1931 году, после перевода на английский. Для создания модели Вселенной, способной расширяться или сжиматься, Леметр прибег к теории относительности Эйнштейна. Он также показал, что в такой модели расширение приведет к красному смещению света в отдаленных галактиках. Почему?

Когда я рассказывал о реликтовом излучении, мы поняли, что световые волны будут растягиваться и становиться длиннее по мере движения сквозь расширяющуюся Вселенную, прямо как нарисованная на надувающемся воздушном шаре линия. Во Вселенной этот эффект особенно хорошо заметен на отдаленных галактиках. Свет из таких галактик прошел долгий и нелегкий путь. Проходя через постоянно растущую Вселенную, световые волны растягиваются и становятся длиннее. Получаем красное смещение. Такой тип красного смещения называется космологическим (метагалактическим). Чем-то напоминает эффект Доплера, хотя он возникает по совершенно иной причине.

Во время наблюдения красного смещения трудно сказать наверняка, насколько оно обусловлено эффектом Доплера, а насколько — расширением Вселенной. На малых расстояниях, например между ближайшими галактиками и скоплениями галактик, эффект Доплера может быть больше космологического красного смещения. Но по мере увеличения расстояния космологическое красное смещение начинает преобладать, поскольку оно увеличивается с расстоянием, в отличие от эффекта Доплера. Хаббл открыл космологическое красное смещение, так как ему первому удалось провести точные наблюдения за спектрами наиболее далеких галактик.

Наблюдения Хаббла свидетельствуют о расширении Вселенной. А если Вселенная расширяется, то все, что мы видим вокруг себя, в прошлом было ближе друг к другу. Если отмотать время подальше назад, то мы увидим, что все располагалось друг к другу так близко, что ближе просто не придумаешь. Теория Л еметра и наблюдения Хаббла не только свидетельствовали о расширяющейся Вселенной — они еще и рассказали о Большом взрыве.

Астрономическое сообщество не сразу приняло идею Большого взрыва. Возможно, на это повлиял тот факт, что теорию выдвинул священник и в глазах многих концепция была уж слишком похожа на библейское сотворение мира. Но были и более обоснованные возражения. Например, измерения Хаббла показали, что Большой взрыв произошел около миллиарда лет назад, что намного меньше предполагаемого возраста современной Вселенной. Да и вообще, уже тогда считалось, что Земля сформировалась более миллиарда лет назад. Как-то подозрительно: планета старше Вселенной. Но, как мы уже убедились на примере измерений Фрица Цвикки, ранние измерения расстояний имели значительные погрешности, потому что цефеиды были недостаточно хорошо изучены. Таким образом, используя неправильные данные о светимости цефеид, Хаббл и Леметр получили неправильное значение скорости расширения Вселенной. Позже все встало на свои места и возраст расширяющейся Вселенной перестал вызывать подозрения в сравнении с возрастом Земли. Но до открытия реликтового излучения в 1964 году астрономическое сообщество весьма холодно принимало теорию Большого взрыва.

Изменение скорости расширения

Одно дело — определить скорость расширения Вселенной. И другое — выяснить, всегда ли она была такой.

Представьте, что вы подбрасываете камень. Сначала его скорость будет стремительно увеличиваться, но потом сила притяжения Земли заставит камень замедлиться. Примерно так и ведет себя Вселенная, где существует исключительно «притягивающая» гравитация. Сначала Вселенная будет крайне быстро расширяться, а затем гравитационные силы замедлят процесс. Расширение будет происходить все медленнее и медленнее. Однако с отталкивающей гравитацией мы получим обратный эффект. Если вы бросите в воздух камень, взаимодействующий с отталкивающей гравитацией, его скорость увеличится. Точно так же отталкивающие силы гравитации заставят Вселенную расширяться все быстрее и быстрее. Именно ускоренное расширение пространства является главным указателем на темную энергию.

Плохие новости для материальной Вселенной

Вплоть до середины 1990-х годов считалось, будто существует только «притягивающая» гравитация. Тогда самой основной задачей было определить количество материи во Вселенной. Если бы оказалось, что материи много, то гравитация бы рано или поздно сильно замедлила расширение, а в конечном итоге вообще заставила бы Вселенную сжиматься. Получился бы так называемый «Большой хлопок» (Big Crunch) — как Большой взрыв, только наоборот. А если бы оказалось, что материи мало, силы притяжения не смогли бы остановить расширение. По мере роста Вселенной расширение бы замедлялось. Но в то же время вещество, создающее притягивающую гравитацию, будет распространяться по постоянно возрастающему объему и торможение не сможет остановить расширение. Вселенная будет расширяться вечно. Вопрос о судьбе Вселенной стал одним из важнейших.

И хотя отталкивающая гравитация в стандартной картине Вселенной до этого отсутствовала, все больше людей задавались вопросом существования определенных отталкивающих сил.

С возрастом Вселенной тоже не все так гладко. Давайте снова представим подброшенный вверх камень. Только на этот раз вы его не трогали, а просто наблюдаете из окна, как камень пролетает мимо. Предположим, вы решили измерить скорость и вышло 10 км/ч. Эта скорость понадобится, чтобы вычислить, сколько времени прошло с того момента, как камень подбросили. Если предположить, что на камень действует притягивающая гравитация, то это будет означать, что до того, как он достиг окна, скорость превышала 10 км/ч. А если отталкивающая, то камень должен был двигаться медленнее 10 км/ч до встречи с окном. Если считать, что на камень действовала отталкивающая гравитация, то лететь он должен был гораздо дольше, чем под действием обычной. А виной тому более низкая скорость.

Аналогия со Вселенной очевидна. Хаббл и его последователи измерили скорость расширения сегодня. Если мы предположим, что во Вселенной есть отталкивающая гравитация, то раньше она расширялась бы медленнее. Таким образом, время, прошедшее с момента Большого взрыва, будет больше, чем если бы Вселенная подвергалась воздействию только обычной гравитации.

В начале 90-х ученые столкнулись еще с одной проблемой: казалось, будто некоторые из самых древних звезд старше самой Вселенной. Отталкивающая гравитация позволила разобраться с этим парадоксом. Ведь так возраст Вселенной увеличится, а парадокс исчезнет.

Тем временем другие астрономы изучали общую картину крупномасштабных структур во Вселенной. Они каталогизировали местоположения нескольких миллионов галактик. Впоследствии их можно было использовать как карту распределения вещества. Результаты можно сравнить с нашими теоретическими расчетами о распределении галактик, если бы на эволюцию Вселенной влияла только обычная гравитация. Теория и наблюдения не совпадали. В короткой статье, написанной Джорджем Эфстатиу в соавторстве с другими учеными и опубликованной в престижном научном журнале Nature в 1990 году, утверждается, что наблюдения лучше соответствуют теоретическим расчетам, если считать, что бблыпую часть Вселенной на сегодняшний день составляет темная энергия. Имеются и другие результаты исследований, указывающие в том же направлении.

Потребность в отталкивающей гравитации начала просачиваться сквозь трещины нашего понимания Вселенной. Но большинство астрономов все еще скептически относились к столь экзотическому явлению, как темная энергия. Смелые заявления требовали надежных доказательств, вот только доказательства эти отсутствовали. В 1998 году две группы ученых опубликовали свои измерения далеких сверхновых. А вместе со сверхновыми на повестке дня вновь оказался вопрос о темной энергии.

Путь, освещенный вспышками звезд

Вспышка сверхновой — одно из мощнейших явлений Вселенной, во время которого гигантские звезды разлетаются на части. Во время взрыва сверхновая может на пару дней или недель превзойти яркостью целую галактику Но тут речь идет не только об эффектном явлении. Ведь, несмотря на разрушительную природу вспышек сверхновых, своим существованием человечество обязано остаткам сверхновой.

Первоначально, когда реликтовое излучение только образовалось, во Вселенной не было практически ничего, кроме атомов водорода и гелия — легчайших химических элементов. Было, правда, незначительное количество еще двух элементов — лития и бериллия. А все остальные химические элементы образовались вследствие ядерных реакций в звездах. Соответственно, даже земные кислород и углерод появились благодаря звездам. Когда звезда гаснет и умирает, все элементы разлетаются по космосу и начинают объединяться в новые системы, такие, например, как наша Солнечная. А потому можно с полной уверенностью сказать, что люди состоят не только из углерода, но и из звездной пыли.

Только вот незадача: звездные ядерные реакции не вырабатывают химических элементов тяжелее кислорода. Тем не менее на Земле полно более тяжелых элементов, таких как железо и свинец, не говоря уже о кремнии, который составляет до 28 процентов массы Земли. Львиная доля этих элементов образовалась при вспышках сверхновых. Иными словами, мы не просто звездная пыль — мы еще и пыль сверхновой. Без сверхновых нас вообще бы не было.

Как и многое другое во Вселенной, сверхновые встречаются всевозможных форм и размеров. По сути, наш старый знакомый Фриц Цвикки, швейцарец, изучавший скопления галактик, был пионером в классификации сверхновых и разделении их на подгруппы.

Подкатегории характеризуются спектрами, содержащими следы разного количества химических элементов. Кроме того, сверхновые обладают разным периодом светимости. Но один тип сверхновых представляет для наших поисков темной энергии особый интерес — в классификации он называется «тип 1а».

На пике сверхновые этого типа пылают с одинаковой светимостью, поэтому астрономы могут использовать их как стандартные свечи. Помните, мы ранее говорили о пульсирующих переменных звездах с известной светимостью — цефеидах? Известная яркость позволяет нам рассчитать расстояние до цефеид, измерив количество получаемого света точно так же, как расстояние до особняка, когда мы смотрим на свет факелов вдоль дороги. Яркость цефеид привлекательна еще и потому, что их можно увидеть с большого расстояния. Мы уже поняли, что цефеиды светят в несколько десятков тысяч раз ярче Солнца. Но тут появляются новые стандартные свечи: вспышки сверхновых типа 1а, которые светят уже примерно в пять миллиардов раз ярче Солнца и в миллион раз ярче цефеид. А это дает нам возможность наблюдать за сверхновыми типа 1а, находящимися в тысячу раз дальше, чем цефеиды.

Но вспышки сверхновых встречаются редко и длятся недолго. Через несколько дней или недель после взрыва они уже начинают тускнеть. Кроме того, мы никогда не знаем, где и когда ожидать следующую вспышку. Следовательно, если использовать сверхновые для картографирования расстояний во Вселенной, необходимы систематические и точные исследования. Только в 1990-х годах ученые смогли начать использовать сверхновые для измерения Вселенной на гораздо большие расстояния, чем раньше. Результат оказался ошеломляющим.

Но, прежде чем восхищаться результатами, давайте посмотрим, что же такое сверхновая типа 1а. И почему у этих сверхновых именно такая светимость?

Лопнувшие от обжорства белые карлики

Сверхновые типа 1а образуются в двойных системах, где две звезды обращаются друг вокруг друга. Такое явление на просторах Вселенной не редкость. Но для рождения сверхновой типа 1а необходимо выполнить еще несколько условий. Для начала одна из звезд должна быть так называемым белым карликом.

Белые карлики — это старые потухшие звезды. Они израсходовали химические элементы, ранее служившие топливом для термоядерных реакций, а поэтому белый карлик лишь тлеет, излучая остатки былого тепла. Но не все звезды в конце своего жизненного пути превращаются в белые карлики. Какой будет смерть звезды, зависит по большей части от се первоначальной массы. Звезды в диапазоне от половины до восьми солнечных масс превращаются в белые карлики. Нашего любимого Солнца это тоже касается, но, к счастью, этой стадии оно достигнет лишь через миллиарды лет. А вот более массивные звезды в итоге превращаются в старые добрые нейтронные звезды или черные дыры. Ранее я писал, что бутылка из-под газировки с нейтронным веществом весила бы как вся вода в озере Мьёса. С белыми карликами дело обстоит несколько иначе, однако они настолько компактны, что та же бутылка с веществом белого карлика будет весить как реактивный самолет.

Эволюция живой звезды в белый карлик похожа на драматичный танец со смертью, в котором звезда сбрасывает с себя вещество. И поэтому масса оставшегося белого карлика никогда не будет превышать массу Солнца больше, чем в 1,44 раза. Это такая особая граница, известная как предел Чандрасекара, названный в честь индийского астрофизика Субраманьяна Чандрасекара (1910–1995). В активной звезде, где в центре происходят ядерные реакции, всегда будет сохраняться баланс между излучением термоядерных реакции, выталкивающим вещество звезды наружу, и силой гравитации, сжимающей звезду внутрь. В белом карлике же никаких ядерных реакций нет и в помине, однако гравитация по-прежнему не отступает. От коллапса звезду удерживает только то, что называется давлением вырожденного электронного газа. Это квантовомеханический эффект, заставляющий электроны сопротивляться сжатию. Как только масса белого карлика превышает верхний предел, давление электронного вырождения теряет свою власть. Равновесие между силой гравитации и силой давления, а значит, и сам белый карлик терпят крах.

Но как может белый карлик, масса которого в 1,44 раза больше массы Солнца, внезапно превысить этот магический предел? И вот тут в игру вступает вторая звезда-компаньон вместе со вторым условием образования сверхновой типа 1а. Если белый карлик обращается вокруг другой, как правило, более крупной звезды, гравитационная сила белого карлика сможет притянуть вещество своего компаньона. Обычные активные звезды обладают протяженной атмосферой, вещество которой непрерывно притягивается к поверхности белого карлика. Со временем белый карлик становится все более и более массивным, пока не достигнет предела Чандрасекара, и тогда… Бум! Вот вам и сверхновая типа 1а.

Понятное дело, ход событий, во время которых рождается сверхновая, значительно сложнее, чем просто взрыв, но общий принцип я вам описал. Удивительно, что все эти взрывы случаются с весьма схожими между собой звездами с практически одинаковой массой, а именно 1,44 массы Солнца. Поэтому и все вспышки сверхновых этого типа очень похожи, что позволяет нам использовать их в качестве мощных стандартных свечей. Правда, у этих сверхновых тоже есть различия. Точная светимость зависит, в частности, оттого, какой газ белый карлик притянул от соседней звезды. А еще эти различия заметны благодаря скорости затухания звезды.

(Некоторые сверхновые типа la образуются при столкновении двух белых карликов. У них может быть немного другая яркость, и об этом эффекте не стоит забывать при использовании сверхновых типа 1а в качестве стандартных свечей.)

Сегодня мы не сомневаемся, что во всем этом можно разобраться. Поэтому при обнаружении сверхновой типа 1а в далекой галактике мы можем изучить, насколько быстро уменьшается яркость в первые несколько дней. Таким образом нам удается довольно точно определить, какой была максимальная светимость, а потом сравнить с дошедшим до нас светом. Получается, с помощью простейшей математики можно рассчитать расстояние точно так же, как с цефеидами или факелами вдоль дороги.

Однако в сверхновых интересна не только их яркость. Еще можно наблюдать спектральные линии и, следовательно, красное смещение. Используя сверхновые в качестве стандартных свечей, можно сделать то же самое, что сделал Хаббл, когда открыл расширение Вселенной. Но сверхновые позволяют заглядывать гораздо дальше в космос, чем Хаббл со своими цефеидами вообще смел надеяться.

Таким образом, наблюдая далекие вспышки сверхновых, можно определить как расстояние (на основе яркости), так и степень расширения пространства с момента начала излучения света (через красное смещение). А еще, глядя на отдаленные объекты, мы заглядываем в прошлое. Чем дальше от нас сверхновая, тем более отдаленный период мы можем рассмотреть. Наблюдая за множеством сверхновых на различном расстоянии от Земли, мы словно создаем обратную временную шкалу истории Вселенной. Соответственно, мы можем измерить, как со временем меняется красное смещение. Значит, мы способны выяснить, насколько быстро Вселенная расширяется последние миллиарды лет. Взрывающиеся белые карлики становятся маяками, освещающими историю Вселенной. Помимо того, что вспышки сверхновых выполняют функцию стандартных свечей, остатки от взрывов можно считать одними из красивейших объектов во Вселенной. На рисунке вы увидите тысячелетние останки сверхновой звезды типа 1а, на которую весь мир мог любоваться в 1006 году нашей эры.

В 1006 году н. э. звездочеты со всего мира наблюдали за вспышкой сверхновой. В ходе исследований выяснилось, что, скорее всего, это сверхновая типа 1а. Так выглядят остатки взрыва сегодня. SN1006 (так называется эта сверхновая) находится в 7200 световых годах от нас, а точнее — в нашем галактическом райончике. На рисунке показаны наблюдения, сделанные с космической рентгеновской обсерватории «Чандра». Цвета изменены.

Открытие, потрясшее астрономический мир

Ежегодно в январе Американское астрономическое общество (American Astronomical Society) организовывает грандиозную конференцию. На таких встречах представляют многие новаторские результаты исследований. И конференция 1998 года не стала исключением. На ней объявили об открытии, которому суждено было перевернуть наш мир с ног на голову, а именно об открытии темной энергии.

Чуть менее чем за год до этого, в июле 1997 года, были представлены результаты исследовательского проекта Supernova Cosmology Project. Тогда еще без особых сенсаций. С 1988 года группа ученых под руководством Сола Перлмуттера занималась поиском далеких сверхновых. Они ставили перед собой цель описать историю расширения Вселенной, изучая взаимосвязь между красным смещением и яркостью от далеких сверхновых типа 1а. Однако вспышки сверхновых — явление не самое частое, поэтому для большей точности наблюдений ученые разработали методику, позволяющую сначала следить за обширными небесными пространствами, используя небольшой телескоп. А уже после обнаружения сверхновой маленьким телескопом можно было подключить к наблюдениям большой телескоп, использование которого обходилось недешево.

В статье 1997 года группа Перлмуттера представила наблюдения за семью далекими сверхновыми. Они также выяснили, из чего должна была состоять Вселенная, чтобы подтверждать эти наблюдения. Представленный результат соответствовал ожиданиям большинства современников. Наблюдаемые ими сверхновые свидетельствовали о том, что Вселенная наполнена обычным веществом и нет никакой потребности в добавлении странных ингредиентов, таких как темная энергия. В статье они даже пишут, что их результаты несовместимы со Вселенной, в которой преобладает темная энергия, но к собранию Американского астрономического общества шесть месяцев спустя все изменилось. Результаты, к которым теперь добавились несколько новых сверхновых, указывали на то, что Вселенная расширяется с увеличивающейся скоростью, Вселенная, в которой невероятно много отталкивающей гравитации.

Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисе руководили работой по наблюдениям сверхновых, рассказавших нам об ускоряющейся Вселенной.

Почему же всего за полгода выводы настолько изменились? А все потому, что было проанализировано большее количество сверхновых. В 1997 году ученые исследовали лишь семь сверхновых — не самая большая выборка, — а потому ошибка неудивительна. Одна из семи сверхновых выпадала из общей картины. Когда эту причуду сравнивали только с шестью другими сверхновыми, на странное поведение внимания не обратили. До конференции, состоявшейся в январе 1998 года, Перлмуттер и его коллеги проанализировали поведение 21 сверхновой. Странную сверхновую разоблачили, и результаты коренным образом изменились. Все указывало на ускоряющееся расширение Вселенной.

Схемы и числа буквально распирало от отталкивающей гравитации. К концу 1998 года группа Перлмуттера опубликовала статью, в которой они проанализировали целых 42 далекие сверхновые. Результаты остались неизменными: отталкивающая гравитация, похоже, никуда исчезать не собиралась.

Места для сомнений оставалось все меньше, ведь группа Перлмуттера была не одинока в своих исследованиях. На момент публикации результатов в январе 1998 года другая исследовательская группа уже работала над анализом наблюдений за сверхновыми. Группу возглавлял американский астроном Брайан Шмидт. Совместно с Адамом Риссом Шмидт и его группа провели точные наблюдения за различными сверхновыми звездами.

Хотя изучали они не те же самые вспышки, что и группа Перлмуттера, выводы тем не менее оказались практически идентичными: вспышки сверхновых свидетельствуют об ускоренном расширении Вселенной. Рисе, Шмидт и их коллеги представили свои заключения общественности в мае 1998 года. У статьи было на редкость понятное название: Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant («Данные наблюдений за сверхновыми подтверждают ускоренное расширение Вселенной и космологическую постоянную»). Что такое ускоряющаяся Вселенная, мы уже поняли, а скоро разберемся и с космологической постоянной.

Когда две независимые исследовательские группы, наблюдавшие разные объекты, приходят к одному и тому же революционному выводу, списать результаты на ошибку не так-то легко. К тому же они нашли решение нескольких упомянутых ранее проблем, таких как распределение галактик и возраст Вселенной. Конечно, выводы из наблюдений за вспышками сверхновых стали сюрпризом, но для многих сюрприз этот был долгожданным.

Чтобы подчеркнуть важность результатов исследований сверхновых, можно добавить, что журнал Science в 1998 году назвал их прорывом года. А в 2011 году Перлмуттер, Шмидт и Рисе получили Нобелевскую премию по физике «за открытие ускоренного расширения Вселенной посредством наблюдений дальних сверхновых».

Позднее были проведены наблюдения и за другими сверхновыми, но это лишь подтвердило результаты 1998 года. Однако на этом рассказ о темной энергии заканчивать рано. Ведь разве можно так просто довериться наблюдениям за сверхновыми звездами? Некоторые из сверхновых, описанные в статьях 1998 года, настолько далеки, что, должно быть, взорвались, когда Вселенная была примерно вдвое моложе, чем сегодня. Можно ли считать, что те сверхновые вели себя в точности так же, как более поздние? И вообще, надежно ли использовать сверхновые в качестве стандартных свечей? Мог ли свет исчезнуть за время долгого путешествия по Вселенной? Для такой смелой гипотезы, как существование темной энергии, требуются еще более надежные доказательства. И это еще не всё.

Но прежде, чем рассматривать другие наблюдения, доказывающие существование темной энергии, давайте-ка переместимся в 1917 год и заглянем в гости к Альберту Эйнштейну, а заодно познакомимся с космологической постоянной.

3.3. Эйнштейн и космологическая постоянная

До этого момента я постоянно использовал термин «темная энергия» для описания взаимодействия с отталкивающей гравитацией. Но, строго говоря, это понятие было введено только в 1998 году после революционных наблюдений за сверхновыми. А раньше все говорили почти исключительно о том, что мы называем «космологической постоянной» или просто «А» (греческая буква лямбда). Настало время познакомиться с А.

При создании теории отталкивающих гравитационных сил А — самое простое из всех возможных решений. До 1998 года, пока отталкивающая гравитация еще не стала популярной концепцией, изучать в подробностях условия возникновения отталкивающей гравитации не было необходимости. После 1998-го все изменилось: сразу появилось множество теоретических моделей, в которых фигурировала отталкивающая гравитация. Сейчас все эти модели объединены общим понятием темной энергии. То есть А — это определенная модель темной энергии, но не первая попавшаяся, а простейшая и наиболее популярная форма темной энергии. Да и к тому же, кажется, она неплохо подтверждает наши наблюдения. И еще А — наиболее старая модель темной энергии. Эйнштейн «придумал» ее еще в 1917 году.

Специальная теория относительности

В 1905 году двадцатишестилетний Альберт Эйнштейн (1879–1955) опубликовал статью, описывающую то, что сам он назвал специальной теорией относительности. Так он решил проблему несоответствия между уравнениями Максвелла и законами Ньютона. В теории Ньютона существует единое пространство, своего рода четко определенная система координат, по отношению к которой можно измерить любое движение. Согласно Ньютону, свет движется со скоростью с относительно этой системы. Но если вы бежите с огромной скоростью вслед за световой волной, то, согласно теории Ньютона, почувствуете, что волна движется относительно вас со скоростью ниже с. Значит, вполне реально догнать и даже обогнать световую волну. Однако уравнения Максвелла прогнозируют, что свет всегда будет двигаться с одной и той же скоростью г, независимо от того, кто ее измеряет. Теории Максвелла и Ньютона — взаимоисключающие. Из этой ситуации Эйнштейн вышел, отказавшись от идеи единства пространства. Вместо этого он полагал, что имеет смысл измерять движение только относительно наблюдателя (отсюда и название теории относительности). В то же время он соглашался с выводами Максвелла о том, что скорость света всегда будет одинаковой. А это порождает ряд парадоксов. Разберем один из них.

Представьте, что суперсамолет будущего пролетает мимо вас со скоростью в два раза медленнее скорости света. Оказавшись прямо над вами, он направляет лазерный луч по направлению движения, а именно к горе. Вы точно знаете, что стоите ровно в километре от горы. И раз уж вам известна скорость света «С» и расстояние до горы, можно рассчитать, сколько времени понадобится свету, чтобы ее достигнуть (разделив расстояние на скорость). А что, если пилот тоже захочет узнать, за сколько секунд луч лазера доберется до своей цели? Он тоже решит, что луч двигается со скоростью с относительно его самого. При этом он помнит, что движется со скоростью с/2 в сторону горы. Тогда время, которое рассчитает пилот, должно получиться короче, чем то, которое вышло у вас. Но ведь луч достигнет цели лишь один раз. Кто из вас прав? Как разрешить этот парадокс?

Альберт Эйнштейн в 1921 году.

Эйнштейн, понятное дело, не хотел, чтобы его теория была напичкана парадоксами. Совсем наоборот: ученый кропотливо создавал математическую модель, способную объяснить всевозможные ситуации, в которых разные объекты движутся относительно друг друга с разной скоростью. В результате ему пришлось отказаться от единства не только пространства, но и времени. Когда мимо пролетает самолет на суперскорости, для вас и пилота время будет идти по-разному. Время — это не данная свыше координата, которая тикает сама по себе. Время относительно: для каждого человека оно свое. И раз у вас с пилотом часы тикают по-разному, воспринимать скорость вы будете тоже по-разному (ведь скорость — это расстояние, деленное на время). А еще специальная теория относительности утверждает, что, например, расстояния мы тоже воспринимаем по-разному. Теория Эйнштейна перевернула наши представления не только о времени и пространстве, но еще и о материи и энергии. Именно специальная теория относительности легла в основу бессмертного уравнения Е=mc^2, которое ученый вывел в 1907 году.

Я не стал подробно рассказывать, как воспринимаете время вы и пилот. Но, надеюсь, из примера ясно, что нужно принимать во внимание относительность времени, если мы считаем аксиомой постоянность скорости света независимо от того, кто ее измеряет. Давайте не будем тратить время на еще более детальное изучение парадоксов и забавных следствий из специальной теории относительности. А для тех, кто никуда не торопится (ни абсолютно, ни относительно), по этой теме существует много хорошей и доступной литературы.

В обычной жизни мы не замечаем странных эффектов специальной теории относительности, потому что они невообразимо малы, но это пока речь не заходит об объектах, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Но специальная теория относительности — это не просто воздушные замки в голове физика. Эффект вполне реален и был неоднократно подтвержден различными способами. Мой любимчик — так называемый эксперимент Хафеле — Китинга, проведенный в 1971 году. В ходе него два физика (которых, что неудивительно, звали Хафеле и Китинг) взяли с собой четыре комплекта сверхточных атомных часов и облетели вокруг Земли. После полета они могли сравнить часы, которые были в этом путешествии, с часами, остававшимися на земле. И, конечно, обнаружились расхождения, подтверждающие предсказания Эйнштейна.

Общая теория относительности

Но этого Эйнштейну было мало. Специальная теория относительности не включала силу тяжести, а закон всемирного тяготения Ньютона не согласовывался со специальной теорией относительности. Например, в теории Ньютона скорость гравитации считается бесконечно большой. А согласно теории относительности, ничто, даже гравитация, не может двигаться быстрее с. Эйнштейн намеревался разработать новую теорию гравитации, которая бы не зависела от единства времени и пространства Ньютона и не противоречила специальной теории относительности. В результате родилась совершенно новая теория гравитации, известная сегодня как общая теория относительности.

Чисто математически специальная теория относительности не особо сложна. Если сначала изучить постулаты Эйнштейна о скорости света и придерживаться математической теории, то, чтобы производить вычисления по этой теории, хватит и школьного образования. Общая теория относительности как с точки зрения идеи, так и вычислений стоит обособленно. Потратив семь долгих лет, в 1915 году Эйнштейн представил окончательный результат. Общая теория относительности, несомненно, является одним из величайших интеллектуальных достижений прошлого века.

Уже в специальной теории относительности Эйнштейн отказался от понимания времени и пространства как абсолютных величин. В общей же теории относительности он основательно развил эту идею. Общая теория относительности основана на понятии геометрического пространства, которое мы называем пространство-время, или пространственно-временной континуум. Пространственно-временной континуум — эго четырехмерная система отсчета, в которой время представляет собой такое же пространственное изменение, как длина, ширина и высота. Пространство-время способно менять свою кривизну. В соответствии с общей теорией относительности, объект в свободном падении всегда выберет кратчайший путь между двумя точками в пространственно-временном континууме. Согласно общей теории относительности, когда камень падает на землю, вниз его тянет, строго говоря, не совсем сила. Камень просто следует по прямой линии через искривленный континуум. И когда кажется, что брошенный камень движется по кривой траектории в наших трех измерениях, это соответствует прямой линии в искривленном отрезке пространства-времени. Возможно, это звучит крайне абстрактно. Так и есть. Но независимо от того, представляет собой «истинная» реальность искривленный пространственно-временной континуум или нет, одно мы знаем наверняка: общая теория относительности работает! Ведь ее прогнозы совпадают с реальными наблюдениями. И эта теория описывает электромагнетизм, движения и гравитационные силы без каких-либо противоречий.

Как вы видите, уравнений в этой книге немного, но раз уж мы рассмотрели самое известное уравнение Эйнштейна (Е=mc^2), то давайте взглянем и на его самые важные уравнения, составляющие основу общей теории относительности. Прошу любить и жаловать — «уравнения Эйнштейна»:

В значение символов углубляться не станем, скажем лишь, что в целом эти уравнения гравитационного поля лежат в основе многих явлений.

Для начала — почему мы называем их «уравнения Эйнштейна», хотя выражение всего одно? Да, но греческие буквы р и v могут иметь четыре разных значения каждая (соответствующие четырем измерениям). Вот и получается: 4x4 = 16 различных комбинаций р и v и, следовательно, 16 различных уравнений, объединенных в одном. Некоторые из уравнений, правда, симметричны, поэтому остается только десять уравнений, которые нужно решить. Эти десять сложных уравнений тесно взаимосвязаны, и, как правило, найти их точное решение сложновато.

О чем нам говорят уравнения гравитационного поля Эйнштейна? Правая часть уравнения описывает количество, например, материи, энергии или излучения в пространстве-времени. Все это содержание заключено в символ Т. Левая часть содержит геометрические величины, описывающие искривление пространства-времени. А между геометрией слева и содержимым справа стоит знак равенства. В этом вся суть общей теории относительности: содержание Вселенной определяет, как будет выглядеть кривизна пространства-времени. А кривизна пространства-времени определяет, как должны двигаться объекты. Да, уравнения сложны, зато принципы просты и удивительно красивы.

Как мы обсуждали, говоря о теории MOND (Модифицированная ньютоновская динамика), общая теория относительности в большинстве случаев дает предсказания, почти идентичные закону всемирного тяготения Ньютона. Например, можно планировать полеты на Луну, используя исключительно законы Ньютона. Работать с ними гораздо проще, а результаты практически такие же, даже несмотря на длительность путешествий и зависимость от гравитационных сил. Различия между теориями Ньютона и Эйнштейна проявляются только тогда, когда гравитация становится чрезвычайно мощной, а расстояния очень большими или же при чрезвычайно точных измерениях. Пример практического использования общей теории относительности — геопозиционирование с помощью спутников GPS. Когда GPS-приемник определяет ваше местоположение, он использует очень точные сигналы времени со спутников. Здесь необходимо учитывать общую теорию относительности, чтобы достичь желаемой точности в определении положения.

Помимо геопозиционирования, общая теория относительности выдержала и другие проверки. Ранее в книге мы коснулись двух из них — гравитационного линзирования и движения перигелия Меркурия. Оба этих явления использовались в качестве первых тестов, в которых теории Ньютона и Эйнштейна давали разные результаты. В обоих случаях теория Эйнштейна доказала свое превосходство. Применив свою теорию при расчете орбиты Меркурия, Эйнштейн самостоятельно убедился в собственной правоте.

Испытания с помощью гравитационного линзирования были проведены лишь в 1919 году, после публикации работы. В те времена у нас еще не имелось ни знаний, ни оборудования для наблюдения гравитационного линзирования от скоплений галактик. Однако Эйнштейн рассчитал, насколько свет далеких звезд будет отклоняться, проходя очень близко к Солнцу. Свет отклоняется из-за гравитационных сил Солнца. Или, выражаясь в терминах общей теории относительности, свет будет двигаться через пространство-время, искривленное массой Солнца. По теории Ньютона тоже можно рассчитать такое отклонение света, но отклонение, предсказанное теорией относительности, больше.

Проблема, конечно, заключается в том, что наблюдать звезды в непосредственной близости от Солнца, как правило, невозможно. Поэтому наблюдения проводились во время полного солнечного затмения 1919 года. В момент затмения Луна перекрывает весь солнечный диск и становится настолько темно, что можно наблюдать звезды, в том числе и крайне близкие к Солнцу, а затем — понаблюдать, как меняется видимое положение звезд на небе без влияния Солнца.

Британский астроном Артур Эддингтон возглавил экспедицию на африканский остров Принсипи — одно из немногих мест, где полное солнечное затмение 1919 года было прекрасно видно с суши. Осуществить достаточно точные измерения оказалось задачей не из легких, но к результатам Эддингтона было не придраться, и их даже представили позже в том же году на собрании Королевского общества в Лондоне. Теория Эйнштейна подтвердилась. То, что старая теория Ньютона, похоже, вот-вот уступит место чему-то новому и более совершенному, не осталось незамеченным. На следующий день после заявления Эддингтона британская газета «Таймс» заявила: «РЕВОЛЮЦИЯ В НАУКЕ — НОВАЯ ТЕОРИЯ ВСЕЛЕННОЙ — ОТКАЗ ОТ ИДЕЙ НЬЮТОНА».

Конечно, к заголовкам британских газет в качестве научных доказательств следует относиться с осторожностью. Но благодаря наблюдениям Эддингтона теория относительности совершила решительный прорыв и стала основной теорией гравитации. Позже теория прошла ряд тестов, показавших, что она описывает гравитацию намного лучше, чем теория Ньютона.

Космологическая постоянная

Сформулировав общую теорию относительности, Эйнштейн первым делом применил ее к целой Вселенной, а в 1917 году опубликовал статью «Вопросы космологии и общая теория относительности». Как вы помните, уравнения Эйнштейна не особо простые — так не слишком ли самонадеянно пытаться объяснить ими целую Вселенную? Возможно, что и нет. Эйнштейн сделал серьезное обобщающее предположение, которое используется и по сей день: он предположил, что вся Вселенная абсолютно однородна, то есть одинакова повсюду. Если не вдаваться в детали, то эта идея может показаться откровенно абсурдной. Но если взглянуть чуть шире, в этом предположении вырисовывается определенная логика. Стоит нам перейти к большим масштабам, и становится очевидно, что скопления галактик распределены во Вселенной довольно однородно.

В статье 1917 года Эйнштейн говорит, что его теория, похоже, не допускает статичности Вселенной: Вселенная должна либо сжиматься, либо расширяться. Как мы обсуждали ранее, проблема заключалась в том, что нерасширяющаяся Вселенная рано или поздно начнет сжиматься из-за своих же гравитационных сил. Чем-то похоже на камень, который не может вечно висеть в воздухе и все равно начнет падать. И не забывайте, что все это происходило за десятилетие до открытия Хабблом расширяющейся Вселенной. На тот момент в науке господствовала теория статической Вселенной, то есть остающейся неизменной с течением времени. Конечно, звезды и галактики немного движутся, но по большому счету видимая Вселенная никогда не менялась. Эйнштейн тоже был привязан к этой идее вечной статичной Вселенной и не мог смириться с тем, что общая теория относительности не допускает этого. В этот момент, точнее в 1917 году, Эйнштейну выпал уникальный шанс сделать предположение, которое еще сильнее укрепило бы его положение на астрофизическом Олимпе: он мог бы предсказать, что Вселенная расширяется (или сжимается) до того, как были проведены соответствующие наблюдения. Но тут Эйнштейн — человек, совершивший научную революцию, — потерпел поражение именно потому, что поддался укоренившимся предрассудкам о том, каким «должен» быть мир. У ученого не хватило решимости отказаться от собственного заблуждения в статичности Вселенной.

В 1917 году Эйнштейн почувствовал необходимость ввести космологическую постоянную в свои уравнения, чтобы избежать коллапса Вселенной. Тогда ему было 37 лет. Здесь же мы видим пожилого, слегка расстроенного Эйнштейна, который рассказывает о своей «величайшей ошибке», параллельно вписывая Л в уравнение.

Чтобы решить эту проблему, ученый ввел в свое уравнение гравитационного поля новый элемент — он добавил Л (лямбду), то есть космологическую постоянную.

(По правде говоря, Эйнштейн обозначил космологическую постоянную буквой X (прописная греческая лямбда), а не Л (заглавная буква), хотя сегодня более распространено второе обозначение. Впрочем, суть космологической постоянной от этого не меняется.)

Формально говоря, никаких проблем с вводом постоянной нет. С математической точки зрения теория стала чуть более «уродливой», но ведь не в красоте счастье. Ввод космологической постоянной не изменит предсказания об орбите Меркурия или искривлении звездного света Солнцем, однако сыграет важную роль при рассмотрении Вселенной как единого целого: Л «отвечает» за отталкивающую гравитацию. Эйнштейн предполагал, что Л должна быть достаточно большой, чтобы компенсировать тенденцию Вселенной к сжатию. Чтобы Вселенная оставалась неподвижной, требовалось уравновесить силу отталкивания Л и силу притяжения. Получилось подогнанное под ситуацию решение, позволившее связать теорию и господствующее мировоззрение.

Но главная проблема космологической постоянной заключалась совсем не в уродливости теории. Как выяснилось впоследствии, обеспечить статическую Вселенную не в силах и она. Но почему нет? Да потому, что Вселенная, в которой сила притяжения уравновешивается отталкивающей Л, будет неустойчивой. Ситуация похожа на попытку сохранить равновесие и не дать бильярдному шару упасть с острия иголки. Понятное дело, в чистой теории возможно поместить шар так, чтобы он в равновесии лежал на игле, вот только на практике это невыполнимо. Едва заметный толчок — и всё, конструкция разрушена. То же самое происходило с равновесием во Вселенной Эйнштейна. Если такую Вселенную слегка подтолкнуть к расширению, космологическая постоянная сама запустит все больше и больше ускоряющееся расширение Вселенной. А если толкнуть ее к сжатию, то она начнет сжиматься все быстрее и быстрее, пока совсем не схлопнется. То, что Вселенная должна вечно балансировать на острие космической иголки, уж точно не является физически приемлемым решением. Позднее, когда расширение Вселенной уже было открыто, Эйнштейн признал введение космологической постоянной своей «величайшей ошибкой».

(Предполагаемое высказывание Эйнштейна, в котором он признал Л своей величайшей ошибкой («biggest blunder»), пошло от физика Георгия Гамова (в посмертно опубликованной автобиографии «Му world line»). Однако следует отметить, что Гамов вряд ли является наиболее достоверным свидетелем по истории физики, и сомнительно, что Эйнштейн когда-либо говорил это. Несомненно, Эйнштейн несколько раз выражал сожаление по поводу введения Л.)

И раз Вселенной больше не требовалось быть статичной, то и потребность в отталкивающих силах космологической постоянной отпала. Поэтому о лямбде в астрономической среде на долгие годы забыли почти все. Похвальное исключение — трое норвежских астрономов: Ян Эрик Сольхейм, Рольф Ста- белл и Шур Рефсдал. Еще в 1960-х они изучали расширяющуюся Вселенную с космологической постоянной. Но пришли 1990-е годы, а вместе с ними возобновилась и потребность в отталкивающей гравитации. Тогда-то космологическая постоянная и ожила вновь. А «величайшая ошибка» Эйнштейна сегодня является неотъемлемой частью наших стандартных представлений о Вселенной.

Доминирование Л во Вселенной

Если вы снова посмотрите на математическое выражение, которое Эйнштейн записывает на доске, то заметите, что он пишет Л (лямбда-член) слева от знака равенства. Как мы помним, левая часть уравнения описывает геометрию пространства-времени. Поместив космологическую постоянную слева, ученый наделил ее физическими свойствами: он считал, что Л вносит свой вклад в искажение пространства-времени. Но все, кто проходил уравнения в школе, знают, что любой член можно запросто перенести из одной части уравнения в другую, главное — не забыть поменять знак на противоположный. Сегодня принято писать Л в правой части уравнения вместе со всем содержимым Вселенной. Эта простейшая математическая манипуляция с уравнениями гравитационного поля дает нам новую интерпретацию Л. Сейчас большинство людей смотрит на Л как на нечто присутствующее во Вселенной. Это такой же компонент, как и обычная материя, темная материя, излучение и другие ингредиенты, скрытые в несколько загадочном символе Т в правой части уравнений.

Если космологическая постоянная — это один из компонентов Вселенной, то как же она себя ведет? Понятное дело, она постоянна. На первый взгляд, впечатляет не особо. Но космологическая постоянная впечатляет потому, что постоянна именно плотность Л-вещества. Несмотря на расширение Вселенной, плотность остается неизменной. Объясню это на примере норвежских гор.

Представьте себе большой грузовик, который едет в гору, чтобы выпустить овец на летнее пастбище. В грузовике стоит сотня обычных овец и одна — особая, назовем ее Л-овцой. Животных выпускают наружу, и они начинают разбегаться. Понятное дело, что внутри машины им было тесновато, а сейчас они начали разбредаться по более просторной площади. По мере распределения стада плотность обычных овец уменьшается, и вскоре они находятся в нескольких метрах друг от друга. А чем в это время занимается та причудливая Л-овца? Она тоже отошла от грузового автомобиля, но, отдаляясь, не перестает делиться, создавая своих Л-клонов. Стадо распространяется по горам все дальше, а Л-овца постоянно делится на новых особей. Плотность Л овец постоянна, несмотря на расширение пространства. В грузовике в стаде преобладали обычные овцы. Однако по мере увеличения территории плотность обычных овец уменьшается, а вот Л-овцы сохранили ту же плотность. Через некоторое время Л овец становится больше, чем обычных. Те, кто составлял незначительное меньшинство, вскоре начинают преобладать. А все из-за постоянной плотности Л-овец.

Такие чудные свойства Л-овцы разделяют с космологической постоянной: при расширении Вселенной плотность ее вещества не меняется.

Считается, что во Вселенной сейчас примерно в три раза больше темной энергии, чем материи. Ранее в истории Вселенной плотность материи была больше, чем сегодня. Взять, к примеру, период образования реликтового излучения. Тогда в каждом кубическом метре Вселенной содержалось в среднем более чем в миллиард раз больше материи (как обычной, так и темной), чем сейчас. Но если темная энергия является космологической постоянной, то она всегда обладала одной и той же плотностью. Таким образом, в молодой Вселенной космологическая постоянная играла совершенно незначительную роль. Но Вселенная росла, материя становилась все тоньше и тоньше, и сегодня мы живем в мире, где доминирует космологическая постоянная.

Это также повлияло на скорость расширения Вселенной. В первое время после Большого взрыва Вселенная расширялась, но все медленнее и медленнее из-за влияния гравитации материи. Только когда Вселенной было около 10 миллиардов лет, космологическая постоянная стала доминировать над ее содержимым и расширение начало ускоряться. Следовательно, ускоряющееся расширение — относительно новое состояние в эволюции Вселенной. А какой будет следующая ступень? Вселенная продолжит расширяться все быстрее и быстрее, а космологическая постоянная будет доминировать все больше и больше. Поэтому, когда мы говорим, что Вселенная на 70 процентов состоит из темной энергии (которая, например, может быть космологической постоянной), это касается Вселенной в ее современном виде. Ведь пока космологическая постоянная обладает постоянной плотностью, плотность материи продолжит уменьшаться по мере расширения пространства. Несколько миллиардов лет назад процент темной энергии был ниже, а через несколько миллиардов лет этот процент станет выше.

Приведенные выше вычисления основываются на принятии темной энергии за космологическую постоянную. А так ли это на самом деле, никто с уверенностью сказать не может. Но пока космологическая постоянная неплохо встраивается в наши наблюдения, например, за сверхновыми звездами. Так что даже если темная энергия представляет собой нечто другое, то она все равно должна быть похожа на космологическую постоянную.

Чуть позже мы познакомимся с другими возможными формами темной энергии. Но для начала давайте потратим немного времени и разберемся с тем, что может представлять собой космологическая постоянная. Сами посудите, Л-овцы ведут себя и впрямь странно: если некая субстанция при распределении на большой территории не теряет плотности, это крайне необычно.

Вакуумная энергия и квантовая флуктуация

Давайте заглянем в микромир. Как квантовая физика объясняет космологическую постоянную? Что же это за такое вещество, не теряющее плотности при расширении пространства? Естественно было бы представить, что Л — неизбежное свойство самого пространства. Иными словами, всегда будет оставаться энергия, от которой невозможно избавиться, даже если откачивать все частицы лучшим в мире вакуумным насосом. На самом деле, мысль о том, что вакуум обладает энергией, не так уж притянута за уши, как может показаться на первый взгляд.

Как мы помним из нашего разговора о частицах, пары частиц и античастиц могут возникать и снова исчезать. Если обратиться к квантовой физике, у нас всегда будут такие испаряющиеся и появляющиеся пары частиц. Даже самый идеальный вакуум никогда не будет пуст. В нем варится суп из частиц и античастиц, которые возникают и исчезают в бурлящем хаосе. Где есть частицы, там будет и масса. А где есть масса — есть и энергия. Итак, согласно квантовой физике, вакуум всегда содержит энергию. Плотность этой энергии должна быть постоянной, потому что это свойство самого пространства. Эту форму энергии часто называют вакуумной. Если включить такую форму энергии в уравнения гравитационного поля Эйнштейна, она будет вести себя точно так же, как космологическая постоянная, и порождать отталкивающие гравитационные силы.

Конечно, проще считать, будто энергия вакуума — это концепция, существующая только в отстраненных от реальности головах физиков и не имеющая ничего общего с действительностью. Но не тут-то было — вакуум существует. Доказано это было, в частности, с помощью забавного явления, которое мы называем эффектом Казимира. Для возникновения эффекта нужно расположить две металлические пластины в вакууме на близком расстоянии друг от друга. Повсюду — как между пластинами, так и снаружи — будут частицы и античастицы, возникающие и исчезающие в вакууме. Это мы и называем квантовой флуктуацией, которая сама по себе состоит из ряда различных процессов. Между пластинами настолько узко, что вакуумная флуктуация в том же объеме, что и снаружи, невозможна. Но какое-то количество флуктуаций все же проникает туда. В результате пластины больше прижимаются колебаниями вакуума снаружи, чем изнутри. Эксперимент фиксирует плотное прижатие пластин друг к другу, а точные измерения доказывают, что вакуум не полностью пуст и что происходящее в вакууме можно описать с помощью квантовой физики.

Но раз эффект Казимира доказан и изучен, нельзя ли использовать ту же теорию для расчета вакуумной энергии во Вселенной? И да и нет. Для эффекта Казимира необходимо пространство между двумя металлическими пластинами. К сожалению, условия Вселенной этому не соответствуют. Тем не менее квантовая физика способна помочь понять, насколько большой должна быть космологическая постоянная. Если впоследствии окажется, что вычисленная квантово-физическими методами космологическая постоянная такая же большая, как та, которую мы видим во Вселенной, тогда решится вся проблема темной энергии. Но реальность не столь благосклонна. В итоге получается, что теоретически рассчитанная плотность космологической постоянной в 10^55 раз больше той, что мы измеряем во Вселенной.

(Во многих источниках говорится, что отклонение еще больше: 10^120 или 10^122 вместо 10^55. Число зависит от того, как именно рассчитывать космологическую постоянную в квантовой теории. Однако наиболее последовательный метод вычислений, который не противоречит тому, что мы знаем о Стандартной модели физики элементарных частиц, дает 10^55. Тем не менее отклонение огромно.)

Иными словами, это число с 55 нулями за единицей. Скорее всего, это величайшее несоответствие между теорией и наблюдениями в истории физики. И поэтому для многих проблема, скорее, заключается не в объяснении существования космологической постоянной, а в объяснении, почему она не настолько большая, как следует из наших вычислений. У этой проблемы даже название есть — проблема космологической постоянной.

По-хорошему, мы должны радоваться тому, что космологическая постоянная столь мала. Соответствуй она теоретическим предсказаниям — и нас бы вообще тут не было. Тогда бы Вселенная начала расширяться задолго до формирования первых звезд и планет. Расширение происходило бы так быстро, что небольшие неоднородности молодой Вселенной не сформировались бы в сложные структуры, которые дадут начало жизни и цивилизациям. Без проблемы космологической постоянной разумные существа никогда бы не появились, и сформулировать саму эту проблему было бы некому.

Честно говоря, мы не знаем, как вычислить космологическую постоянную на основе имеющихся у нас теорий. При вычислении теоретического значения космологической постоянной мы сначала получаем бесконечно большой результат. Но при помощи некоторых грубоватых математических уловок можно сократить это бесконечно большое число до плотности, которая больше «всего» в 10^55 раз. Но, как показывает практика, наши теории частиц, квантовая физика и знания о гравитации еще несовершенны. Остается лишь надеяться, что появится более полная теория, которая объяснит, почему космологическая постоянная настолько мала.

Многие физики придерживаются иной аргументации. Они считают, что флуктуации вакуума вообще никак не связаны с космологической постоянной. По их мнению, более совершенная теория докажет, что эффект вакуумных флуктуаций полностью исчезает. Таким образом, они считают более разумным искать другую форму темной энергии и отталкивающих гравитационных сил, которые не являются флуктуациями вакуума и вполне могут не быть космологической постоянной. Позже мы рассмотрим некоторые из таких альтернативных предположений. Но перед этим давайте снова переместимся в космос. Ведь об ускоряющемся расширении нашей Вселенной свидетельствуют не только сверхновые.

3.4. Наблюдения, указывающие на темную энергию

Сверхновые — это классический пример проявления темной энергии во Вселенной. Они сыграли важную историческую роль, а также служат довольно точным индикатором скорости расширения Вселенной. Однако к предполагаемым стандартным свечам всегда стоит относиться с осторожностью. Наши выводы основываются на убеждении, что мы действительно наблюдаем стандартные свечи. Как мы уже видели, в понимании цефеид ученые долго топтались на месте, и Фриц Цвикки ошибся в вычислениях именно из-за недостатка знаний о них. Поэтому очень важно, чтобы были и другие независимые наблюдения, свидетельствующие о той же темной энергии. Мы рассмотрим некоторые из них, начиная с нашего старого знакомца — реликтового излучения.

Темная энергия в младенческой Вселенной

Мы уже знакомы с реликтовым излучением, этими микроволнами, настигающими нас со всех сторон. Излучение появилось, когда снижение температуры позволило электронам присоединяться к атомам, что сделало Вселенную прозрачной. Мы помним, как неоднородности материи формировались под влиянием огромных волн. Больше всего пятен на реликтовом излучении с радиусом примерно в один градус (см. схему на с. 105). Этот один градус — важное свидетельство в пользу существования темной энергии во Вселенной. Почему?

Снова вернемся к курсу школьной математики. Большинство все же выучило, что сумма углов треугольника равняется 180°. Но это не всегда так, в чем просто убедиться на практике: попробуйте нарисовать треугольник на сферической поверхности, например глобусе. Предположим, первый угол будет на Северном полюсе, проведите от него две линии на юг, к экватору так, чтобы между ними получился угол в 90°. Затем начертите новую линию вдоль экватора, соединяющую эти две. В итоге у нас получился треугольник, все углы которого равны 90°. Сумма углов вашего треугольника составит 270°. Говоря, что сумма углов треугольника составляет 180°, мы имеем в виду только треугольники на плоской поверхности. Когда же поверхность изогнутая, как Земля, сумма углов будет больше, чем 180°. А если поверхность, вогнутая внутрь (представьте седло для верховой езды), сумма углов будет меньше, чем 180°. Сумма углов треугольника может к тому же пригодиться при определении, как именно изгибается поверхность. Стоп! А каким образом все это связано со Вселенной?

Поверхность Земли обладает двумя пространственными измерениями. Вы можете двигаться вперед и назад, вправо и влево. Но не вверх или вниз: тогда вы покинете поверхность Земли. Поверхность земного шара — это двумерная поверхность, изогнутая в третьем измерении. Вселенная трехмерна, три ее измерения тоже могут изгибаться, но уже в воображаемое четвертое измерение. Визуализировать такую кривизну трехмерного пространства непросто, но рассчитать вполне возможно. Результат будет таким же, как на глобусе: сумма углов покажет кривизну пространства.

Чтобы исключение из правила 180° стало действительно заметно, понадобится большой треугольник. Вернемся к нашему глобусу: если нарисовать крошечный треугольник на большом глобусе, то внутри треугольника глобус будет практически плоским, а сумма углов останется равной примерно 180°. Отклонение видно, только когда треугольники становятся большими относительно кривизны пространства. Реликтовое излучение дает нам прекрасную возможность нарисовать космический мегатреугольник, линии которого доходят чуть ли не до Большого взрыва.

Представьте себе пятно протяженностью в один градус на реликтовом излучении. Можно вообразить, что мы рисуем треугольник, один угол которого берет начало от нас, а два других — по краям этого пятна. Затем можно измерить угол треугольника возле нас (который тоже составляет около одного градуса). А расстояние мы узнаем, высчитывая, насколько сильно красное смещение повлияло на микроволны. А еще можно рассчитать, насколько большим было пятно, когда только образовалось. Это возможно, так как физические законы, повлиявшие на формирование пятен, достаточно просты и хорошо изучены. Тот факт, что треугольник начерчен в расширяющейся Вселенной, только усложняет задачу, но это вполне можно учесть в расчетах. Таким образом, данных о треугольнике должно хватить для расчета суммы его углов. А зная сумму углов, можно многое понять о кривизне пространства. Получается, пятна протяженностью в градус могут использоваться для определения кривизны пространства. И они указывают на то, что Вселенная практически плоская.

К тому же существуют и расчеты, говорящие о плоскости пространства. А как это связано с темной энергией? Ну, смотрите: по уравнениям Эйнштейна искривление Вселенной определяется ее содержимым. Чтобы быть плоской, плотность материи должна соответствовать выделенному значению — так называемой критической плотности. Если сложить известную нам обычную и темную материи, то вместе они составят всего около 30 процентов критической плотности. Но реликтовое излучение как раз говорит о том, что Вселенная практически плоская, а потому и ее содержание должно соответствовать критической плоскости. Таким образом, содержаться в ней должно нечто большее, чем просто материя. В эту теорию отлично вписывается темная энергия. Она заполняет оставшиеся 70 процентов и способствует росту показателей. Тот факт, что в реликтовом излучении много пятен протяженностью около одного градуса соответственно дает нам серьезный повод принять темную энергию с распростертыми объятиями.

Рассказывая о реликтовом излучении, я упомянул, что это, вероятно, наш важнейший источник знаний о Вселенной. И вот теперь перед нами начинают вырисовываться очертания картины, которую мы видим благодаря реликтовому излучению. Сначала оно показало нам Вселенную, начавшуюся с Большого взрыва. Затем мы увидели, что высота различных пиков на рисунке на странице 105 говорит нам, сколько темной материи находится во Вселенной. И теперь мы знаем, что положение первого пика говорит о том, что Вселенная плоская и, следовательно, в ней содержится намного больше, чем обнаруженные нами обычная и темная материи.

Волны в миллионах галактик

Преимущество сверхновых заключается в том, что они позволяют нам понять, с какой скоростью расширялась Вселенная на протяжении истории. Недостаток же этих взрывающихся звезд — это множество связанных с ними неопределенностей. Я уже перечислял некоторые из них. Например, можем ли мы быть абсолютно уверены, что сверхновые — действительно стандартные свечи? Вспышки сверхновых зависят еще и от измерений дошедшего до нас света. Но ведь часть света спокойно могла затеряться по дороге. Достоверны ли наши представления о том, какое количество света могут задержать пыль и газ во время путешествия от далеких сверхновых?

Хорошо бы обзавестись альтернативой сверхновым, тоже показывающим, насколько быстро Вселенная расширялась в разное время, но не обремененным такими неопределенностями, как наши стандартные свечи. Один из вариантов — наблюдать за галактиками. За множеством галактик. Наша задача — составить карту их группировок, ведь у этих скоплений есть размер углового диаметра, который можно сравнить с линейкой.

Принцип стандартных свечей я объяснял на примере расположенных вдоль дороги факелов. Измерив дошедший от факелов свет, можно определить расстояние до них. Представьте, что вместо факелов стоят дорожные столбики одинаковой высоты. Мы можем измерить, насколько высоким выглядит отдаленный столбик, то есть насколько велик угол между его верхом и низом. Эту манипуляцию можно использовать для расчета расстояния до этого столбика. Таким образом, столбики становятся стандартной линейкой.

Чтобы найти стандартную космическую линейку, нам придется снова вспомнить о реликтовом излучении: между его пятнами и сегодняшним расположением галактик существует определенная связь. Еще раз взгляните на рисунок на странице 105: на нем мы видим пятна различных размеров. Пятна, как мы уже несколько раз упоминали, представляют собой зародыши структур, сформировавшихся во Вселенной позже. Плотные сгустки сжимались, образуя галактики и скопления галактик. Волновая карта реликтового излучения отражается в распределении галактик по небу. Это излучение достаточно хорошо картографировано и изучено. Расстояние между волнами на рисунке становится значением углового диаметра — известной мерой расстояния. Это похоже на огромную космическую линейку. В сегодняшней Вселенной она соответствует длине почти в 500 миллионов световых лет.

Таким образом, распределение галактик можно использовать как космические дорожные столбики. Измерим красное смещение и положение множества галактик, а затем посмотрим на галактики с одинаковым красным смещением. Изучив, каким образом эти галактики группируются, мы сможем распознать тот же волновой узор, который видели в реликтовом излучении. Следовательно, у нас есть стандартная линейка и ее можно использовать для определения расстояния. В результате получается ситуация, как со сверхновыми: у нас есть взаимосвязь между расстоянием и красным смещением. 1лядя на галактики со множеством разных красных смещений, мы можем построить временную шкалу скорости расширения Вселенной в разные периоды.

Сложность в том, что эти волны трудно измерить. Требуются точные наблюдения за очень многими галактиками. Таким образом, стандартная галактическая линейка не была открыта до 2005 года. В то время в рамках проекта Sloan Digital Sky Survey (Слоуновский цифровой обзор неба) была проанализирована выборка из почти 50 000 галактик, и в итоге ученым удалось распознать их волновую структуру. Позже волны наблюдались и в других проектах, так что космическая сверхлинейка была нанесена на карту с завидной точностью. Пока что наблюдения очень хорошо согласуются с измерениями сверхновых. Угловое расстояние и сверхновые помогают нам измерить примерно одно и то же, но методы и возможные ошибки в корне различаются. Похоже, темная энергия никуда уходить не собирается.

Исчезновение космических склонов

Есть еще один эффект, который мне бы хотелось упомянуть. Во-первых, он кажется мне забавным. А во-вторых, он показывает следы темной энергии не так, как сверхновые и стандартная линейка. Впоследствии он даже получил довольно звучное название — эффект Сакса — Вульфа.

Представьте, что быстро несетесь на лыжах. Вы резко отталкиваетесь, поэтому, скользя по лыжне, практически не теряете скорость. Посреди лыжни течет ручей. Перед тем, как пересечь ручей, лыжня резко опускается на несколько метров вниз. По другую сторону ручья она снова поднимается. Вы окажетесь на той же высоте, что и до перехода через ручей. Как будет меняться ваша скорость? По пути вниз к ручью скорость увеличится, и у вас будет максимальная скорость, когда вы пересечете ручей в нижней точке долины. На пути вверх вы потеряете скорость. Если у вас идеальное скольжение, то скорость, с которой вы закончите переход долины, будет такой же, как и до того, как вы подошли к ней.

А теперь заменим лыжника на фотон, световую волну, которая скользит по Вселенной. Наш фотон от реликтового излучения летит к Земле. Как и лыжник, фотоны могут наталкиваться на неровности и склоны на своем пути. Как мы помним, фотоны подвластны гравитации. Когда фотон движется в том же направлении, что и сила тяжести, он, следовательно, будет катиться под гору. Скорость света всегда одинакова, но энергия у фотона будет возрастать. Более высокая энергия соответствует более коротким длинам волн, то есть синему смещению. Соответственно, если фотон движется навстречу силе тяжести, он потеряет энергию, что приведет к красному смещению.

Факт влияния гравитации на световые волны доказан экспериментально. Впервые эффект изучили в знаменитом эксперименте Паунда и Ребки в 1959 году. В ходе него гамма-фотоны отправляли вниз с башни высотой 22,5 метра. Когда фотоны достигали нижней части башни, длина волны уменьшалась.

Во Вселенной этот эффект возникает, когда фотоны проходят сквозь обширные области, где плотность галактик больше, так называемые сверхскопления, то есть скопления скоплений галактик. При движении к центру сверхскопления фотон получит больше энергии и испытает синее смещение. А когда приходит время удаляться, на смену приходит красное смещение. Во Вселенной без темной энергии «подъем в гору» уравновесил бы «спуск». В этом случае длина волны фотона, вошедшего в сверхскопление, не изменится к моменту его выхода. Ситуация точь- в-точь как с быстро скользящим лыжником: после того, как он минует долину с небольшим ручьем, скорость станет прежней.

Но что происходит во Вселенной, в которой темная энергия все же существует? Сверхскопления, как правило, обладают протяженностью в несколько сотен миллионов световых лет, а потому фотону потребуется несколько сотен миллионов лет, чтобы пройти их. За это время произойдет синее смещение. Но по мере движения фотона темная энергия будет отталкивать друг от друга скопления галактик в сверхскоплении. Подъем фотона в гору, таким образом, отнимет у него меньше энергии, чем дал спуск. В результате у фотона, покидающего сверхскопление галактик, частично сохранится синее смещение. И снова проведем аналогию с ручьем в долине: это как если бы под землей сидел тролль и поднимал лыжную трассу вверх, пока человек находится в нижней точке. Тогда подъем будет короче, чем спуск, и скорость после пересечения долины увеличится.

А как этот эффект проявляет себя на небе? Давайте снова взглянем на карту реликтового излучения. Эту карту можно сравнить с составленными нами картами галактик. Неужели фотоны, прошедшие через сверхскопления галактик, становятся немного более «синими»? Да. Статистика так и говорит. Это еще один аргумент в пользу Вселенной с темной энергией — аргумент, основанный на совершенно иных механизмах, чем те, которые мы рассматривали ранее в книге.

Из-за чего возникает ускорение?

Как и в случае с темной материей, ускоряющаяся Вселенная тоже опирается на широкий спектр различных наблюдений. Мы полагаем, что ускорение вызвано темной энергией с отталкивающей гравитацией. Но что на самом деле представляет собой темная энергия?

Мы уже рассматривали космологическую постоянную Л. Эта идея так соблазнительно проста, ведь Л является своеобразным свойством пространства. А еще она прекрасно согласуется со всеми вышеупомянутыми наблюдениями. Тем не менее у теории есть свой скелет в шкафу — проблема космологической постоянной: почему Л настолько меньше теоретических предсказаний?

Еще одна концептуальная головная боль, связанная с Л, — это то, что мы называем проблемой совпадения. В сегодняшней Вселенной количество темной энергии сопоставимо с количеством материи. Конечно, совпадает не идеально: мы помним, что темная энергия составляет приблизительно 70 процентов. Но все же если темная энергия — это космологическая постоянная, которая существует совершенно независимо от материи во Вселенной, то почему ее, например, не в 100 миллиардов раз больше? Или в 100 миллиардов раз меньше? Может показаться странным, что два физически совершенно независимых явления оказались сопоставимы по размеру. Если темная энергия — это константа, то в первый период жизни Вселенной в ней будет доминировать материя. Потом несколько миллиардов лет будет продолжаться период, когда масштабы этих двух явлений сопоставимы. После этого господство во Вселенной уже окончательно перейдет к космологической постоянной. Разве не странно, что мы оказались в той очень маленькой части истории Вселенной, где темная материя и темная энергия встречаются в сопоставимых количествах?

С проблемами совпадения и космологической постоянной связана еще и проблема тонкой настройки Вселенной. Будь космологическая постоянная хоть чуточку больше, и структуры вроде галактик, звезд и планет просто не успели бы сформироваться до того, как отталкивающая гравитация захватила бы власть и начала мешать слиянию материи. Если темная материя на самом деле — космологическая постоянная, то, похоже, нам невероятно повезло, что она именно такая. В этом и заключается суть тонкой настройки Вселенной.

(Проблема тонкой настройки касается не только космологической постоянной, но и ряда других физических величин. Будь они не в точности такими, какие есть, нас бы тут не было. Подробнее об этом в последней главе.)

Проблемы космологической постоянной, совпадения и тонкой настройки Вселенной — весьма веские причины не ограничиваться моделью космологической постоянной для объяснения ускоряющегося расширения Вселенной. Но чтобы начать поиски другого претендента на роль темной энергии, необходимо сначала обосновать, почему космологической постоянной не существует. Многие физики считают, что легче принять тот факт, что космологическая постоянная равна нулю, чем объяснять, что она ужасно мала, но не равна нулю. Они полагают, что в белее совершенной физической теории эффект флуктуаций вакуума полностью исчезнет. И потому они считают более логичным поискать другую форму темной энергии и отталкивающей гравитации, нечто никак не связанное с квантовыми флуктуациями вакуума. В идеале мы должны найти модель, решающую концептуальные проблемы, о которых я говорил выше, или по крайней мере уменьшающую их количество. Самым популярным решением является введение понятия квинтэссенции.

Пятый элемент

Слово квинтэссенция отсылает нас к Древней Греции и учению о том, что все в природе состоит из четырех элементов: огня, воздуха, земли и воды. Некоторые полагали, будто здесь явно недостает пятого элемента — квинтэссенции. Аристотель считал пятым элементом эфир. Он утверждал, что если другие четыре элемента бренны, то небесные тела должны состоять из некой вечной субстанции. Поэтому он считал необходимым представить эфир как новый, экзотический элемент — квинтэссенцию. И поскольку Аристотель также отвергал возможность существования абсолютной пустоты, он воображал, что вся Вселенная заполнена эфиром. До начала XX века идея эфира существовала как гипотетическая «субстанция», находящаяся где-то в космосе. Тогда эфир рассматривался как среда, в которой могут двигаться электромагнитные волны, но с появлением специальной теории относительности Эйнштейна, исключающей единство пространства, потребность в эфире исчезла.

Современная квинтэссенция принципиально отличается как от понимания эфира Аристотелем, так и от концепции начала XX века. Это уже не вопрос вечного небесного элемента или среды для электромагнитных волн. Тем не менее аналогия с эфиром древности очевидна. Под квинтэссенцией сегодня мы подразумеваем тип физического поля, которое пронизывает всю Вселенную и порождает отталкивающие гравитационные силы.

(Идея современной квинтэссенции, обеспечивающей отталкивающие гравитационные силы, была введена еще в 1994 году немецким физиком Кристофом Веттерихом. Это было до того, как идея ускоряющегося расширения Вселенной действительно утвердилась.)

Мы уже касались концепции поля ранее, обсуждая электромагнитное поле. Поле — это физическая сущность, характеризующая пространство и способная меняться в зависимости от места и времени. Физики используют поля не только для описания электромагнетизма. Все частицы в Стандартной модели описываются как проявления различных квантово-физических полей. Поле квинтэссенции должно обладать особыми свойствами, ведь оно создает отталкивающую гравитацию. Опишу в общих чертах, какие отличительные характеристики присущи квинтэссенции.

Поле квинтэссенции должно быть скалярным. Скалярные поля — далеко не малоизученное физическое явление. Более того, они способствовали открытию бозона Хиггса. Любое скалярное поле будет связано с так называемым потенциалом. С потенциалом мы сталкиваемся и в повседневной жизни. Если положить футбольный мяч на вершину трамплина, то у мяча будет большой потенциал. А это означает, что он сможет катиться вниз с высокой скоростью. Если он скатится с холма и окажется на ровной поверхности, то достигнет предела своего потенциала и больше разгоняться не будет. Отталкивающую гравитацию может создать скалярное поле, потенциал которого медленно опускается, по при этом не достигает самого низа. Включение такого медленно катящегося вниз поля в уравнения Эйнштейна даст долгожданные отталкивающие силы гравитации.

Подобное скользящее вниз скалярное поле — отправная точка для всех форм квинтэссенции. Но ее модели существуют во множестве вариантов, каждый из которых предсказывает несколько иное поведение поля. Среди прочего поведение зависит от того, как именно происходит спуск поля. Таким образом, квинтэссенция — это не одна модель, а собирательный термин для большого количества различных моделей темной энергии.

Помимо того, что нам нужно найти какую-то форму темной материи, существуют ли другие причины полагать, что во Вселенной должны быть такие странные, скользящие вниз скалярные поля? Возможно. Помните, когда мы искали частицы темной материи, я рассказал о суперсимметрии — теории, описывающей, что может скрываться за пределами Стандартной модели физики элементарных частиц. В большинстве суперсимметричных моделей может возникнуть скалярное поле, которое в теории могло бы создать квинтэссенцию. Но мы не знаем, существует ли суперсимметрия на самом деле, не говоря уже о том, как именно суперсимметрия себя ведет, и уж тем более понятия не имеем, способна ли она стать источником квинтэссенции. Так что по большей части все это лишь догадки.

Я писал, что основная мотивация при введении квинтэссенции заключается в том, что так мы частично решаем проблему совпадения, а именно почему сегодня во Вселенной материя и темная энергия сопоставимы по количеству. Почему? Существуют модели квинтэссенции, в которых ее поведение зависит от плотности других составляющих Вселенной. В некоторых таких моделях квинтэссенция начинает вести себя как темная энергия только тогда, когда Вселенная достигает определенной стадии в своей эволюции. В этих моделях, естественно, пройдет несколько миллиардов лет, прежде чем наиболее существенное поле начнет доминировать. Проблема совпадения в этом случае пропадет или по крайней мере станет менее значимой.

Кроме того, предпринимались попытки одновременно описать темную материю и энергию с помощью скалярных полей. На английском такие модели называются dark fluids (темные жидкости). Мотивация изучения подобных моделей вопросов не вызывает: когда есть два невидимых и не особо изученных элемента Вселенной, разве не естественно предположить, что между ними должна быть какая-то взаимосвязь? Идея заманчивая, но вот только помимо невидимости темную материю и энергию мало что связывает. Пока модели темной жидкости неспособны удовлетворительным образом объяснить все наблюдения.

Ускорение без темной энергии

До сих пор мы пытались объяснить ускоряющееся расширение Вселенной, добавив новый компонент — вещество с отталкивающей гравитацией. Или, иными словами, мы пробовали изменить правую часть уравнений гравитационного поля Эйнштейна, в которой описывается содержание Вселенной. Но, возможно, разгадка таится где-то еще. Может, ответ на вопрос о расширении Вселенной не найти среди необъяснимых малых флуктуаций вакуума и скатывающихся скалярных полей. Может быть, нам, как и в случае с темной материей, стоит поискать альтернативные теории гравитации? Или, говоря на языке ученых: возможно, искривление пространства-времени происходит не так, как предсказывают уравнения Эйнштейна? Давайте вспомним урок, которому нас научили истории Леверье и Эйнштейна, и допустим, что и темная энергия может оказаться Вулканом. Мы рассмотрим левую часть уравнений, где и таится расширение пространства-времени.

При изучении темной материи мы взглянули также и на альтернативную теорию гравитации — MOND. Согласно этой теории, гравитация на больших расстояниях становится сильнее, чем это предсказывают теории Ньютона и Эйнштейна. Так мы могли бы объяснить быстрое вращение галактик, не прибегая к темной материи. Но хотя гравитация в MOND ведет себя по-разному, она остается притягивающей. А ускоряющееся расширение Вселенной без отталкивающей гравитации не объяснить.

В то же время можно изменить теорию так, чтобы включить в нее отталкивающую гравитацию. Чтобы такая модифицированная теория могла описать Вселенную, где мы живем, она должна обеспечивать притягивающую гравитацию в планетных системах, галактиках и скоплениях галактик, в то время как отталкивающая гравитация затрагивает только самые большие масштабы в космосе. Ученые сформулировали несколько модифицированных версий уравнений гравитационных полей Эйнштейна, в которых нехватка содержимого во Вселенной приведет к отталкивающим силам. В ранней истории Вселенной материя была сконцентрирована относительно плотно, а силы гравитации доминировали повсюду. По мере того, как Вселенная расширялась и опустошалась, отталкивающие гравитационные силы захватывали все больше и больше пространства.

Вселенная с дополнительными измерениями

Еще один гораздо более экзотичный способ объяснить ускоряющееся расширение — ввести во Вселенную дополнительное измерение. Я затрагивал дополнительные измерения, когда писал о теории струн. Согласно теории струн, дополнительные измерения настолько крошечные, что в нашей повседневной макроскопической действительности их никак не разглядеть. А сейчас давайте познакомимся с другим типом дополнительного измерения.

В 2000 году ученые создали новую модель, названную моделью DGP в честь трех физиков, которые первыми ее предложили, — Георгия (Гия) Двали, Григория Габададзе и Массимо Поррати. Эта модель включает в себя дополнительное измерение пространства, но, в отличие от крошечных измерений в теории струн, в модели DGP оно весьма внушительное. Как же так получилось, что мы его не замечаем? Почему мы, трехмерные люди, не можем ворваться в четвертое измерение, прямо как двумерная нарисованная рука Мортена Харкета в трехмерный мир в легендарном музыкальном клипе A-ha на написанную в 1985 году песню Take on me? Все дело в том, что в модели DGP дополнительное измерение доступно лишь гравитационным силам. Все частицы Стандартной модели намертво привязаны к трем нашим измерениям. Внутри нашей Галактики и Солнечной системы гравитация, по сути, останется в пределах трех измерений. Но чем больше расстояния, на которые распространяются гравитационные силы, тем большая их часть «просачивается» в дополнительное измерение. В результате такой утечки гравитация на больших расстояниях ведет себя иначе.

При составлении уравнений гравитационного поля, которые включают это дополнительное измерение, оказывается, что модель DGP сможет обеспечить отталкивающие гравитационные силы, когда расстояния станут достаточно большими. И хотя пока космологическая постоянная лучше согласуется с наблюдениями, чем модель DGP, это хорошее доказательство того, что ускорение Вселенной можно объяснить далеко не единственным способом.

О чем нам говорят наблюдения?

Космологическая постоянная, квинтэссенции, модифицированная гравитация, дополнительные измерения… Похоже, я упомянул почти все модели, которые пытаются объяснить ускоряющееся расширение пространства. И как же нам понять, какое описание Вселенной верное?

Расставить все по местам нам поможет история Вселенной. Различные модели темной энергии будут соответствовать различным хронологиям расширения. А стандартные свечи и стандартные линейки могут помочь с картографированием расширения в разные периоды. Пока что большинство наблюдений, кажется, хорошо согласуется с существованием космологической постоянной. Но наблюдения все еще настолько неточны, что многие другие возможности остаются открытыми.

Сейчас планируется интересный эксперимент — исследовательский спутник под названием «Евклид». Проект разрабатывается Европейским космическим агентством (ЕКА), а запуск планируется в 2022 году. Основная задача «Евклида» заключается именно в проведении наблюдений, которые позволят различать разные модели темной энергии, задуманных для того, чтобы в ближайшие годы разобраться с нашими хаотичными представлениями об ускоряющейся Вселенной.

Именно хаос наставляет нас на истинный путь в попытках понять ускоренное расширение Вселенной. Нам приходится биться над необъяснимо малой космологической постоянной, множеством моделей квинтэссенции, странными законами гравитации и дополнительными измерениями. Кроме того, перспективы обнаружения темной энергии гораздо мрачнее, чем темной материи. Уже существует множество экспериментов, которые вот- вот обнаружат частицу темной материи. По сути, в любой день есть вероятность проснуться и узнать, что темная материя проявила себя где-то в том или ином эксперименте в какой-то шахте. А вот с ускоряющимся расширением Вселенной дела обстоят иначе. Здесь мы сталкиваемся с загадкой, которую, вероятно, придется разгадывать медленно. С более точными наблюдениями мы сможем значительно облегчить поиски, но нет гарантий, что мы вообще придем к однозначному заключению.

Существует несколько различных сценариев того, что нас ожидает. Первый и самый скучный вариант развития событий такой: все новые наблюдения прекрасно совпадают с космологической постоянной. Означает ли это полный отказ от всех альтернатив? К сожалению, нет. У всех моделей квинтэссенции есть кнопочки и рычажки, с которыми можно поэкспериментировать. Во многих из них можно настроить все так, что квинтэссенция будет похожа на космологическую постоянную в нужной нам степени. Таким образом, невозможно окончательно заключить, что мы имеем дело с космологической постоянной, основываясь только на наблюдениях за Вселенной. Тогда вся надежда на микроскопический квантовый мир. Не исключено, что появится более совершенная теория, подробно объясняющая, почему космологическая постоянная именно такая. Или, может быть, в ЦЕРНе обнаружат суперсимметрию, и, возможно, суперсимметрия откроет скалярные поля, которые дадут нам совершенно естественную квинтэссенцию. Кто знает?

В ходе другого, гораздо более захватывающего сценария благодаря усовершенствованным наблюдениям за Вселенной может выясниться, что темная энергия — это никак не космологическая постоянная. Возможно, тогда люди всерьез возьмутся за ускорение Вселенной. Может, наблюдения проложат дорогу к экзотической физике, которая включит в себя дополнительные измерения или скатывающиеся скалярные поля, и, возможно, это, в свою очередь, поможет физикам, изучающим элементарные частицы и стремящимся понять квантовый мир.

Надеяться на то, что крупные масштабы дадут нам необходимые ответы, не стоит. Альтернативные теории гравитации и дополнительные измерения, кстати, предсказывают эффекты, которые можно проверить и в нашей Солнечной системе. Например, модель DGP дает несколько иные прогнозы движения перигелиев внешних планет, нежели стандартная общая теория относительности. Расхождения слишком малы, чтобы провести четкое разграничение между моделями сегодня, но, возможно, это удастся сделать в последующие годы.

Ситуация на сегодняшний день такова, что модели темной энергии пока являются наиболее популярными для объяснения ускоряющегося расширения Вселенной. Как и с темной энергией, кажется, гораздо проще впихнуть что-то новое во Вселенную, чем менять законы притяжения. С каждым годом новые наблюдения все сильнее приближают нас к пониманию ускоренного расширения Вселенной. Благодаря разрабатывающимся масштабным проектам, например «Евклиду», будущее темной энергии выглядит весьма светлым. Но нельзя исключить, что решения этой загадки придется ждать еще долгие годы.

Жизнь в центре пузыря

Мне хотелось бы упомянуть еще об одной теории. Не потому, что я в нее верю, а просто потому, что это интересный и забавный пример, в котором еще и мораль присутствует.

Допустим, Вселенная не расширяется с ускорением. Не существует никакой темной энергии или больших дополнительных измерений, а в уравнениях Эйнштейна все сходится. Тем не менее нельзя забывать про наблюдения сверхновых и угловых размеров стандартных линеек. Как связать все это воедино? Давайте в первую очередь разберемся со сверхновыми. Разве сверхновые не показали нам, что Вселенная сегодня расширяется быстрее, чем раньше? Нет, они говорят об этом не напрямую. Сейчас объясню.

Наблюдая за далекими сверхновыми, мы заглядываем в прошлое. Именно этот эффект мы и используем для картографирования истории Вселенной. Но далекая сверхновая звезда показывает нам Вселенную не только такой, какой она была раньше, но и такой, какой она была где-то еще. Мы не можем взглянуть в прошлое, не увидев в то же время Вселенную в другом месте. А еще невозможно наблюдать за Вселенной в другом месте, не заглядывая при этом в прошлое.

Когда мы использовали сверхновые для выяснения истории Вселенной, то предполагали, что она по большому счету везде одинаковая. Мы предположили, что далекие сверхновые находятся в той части Вселенной, которая не отличается от нашей. Мы обнаружили, что в местах взрыва сверхновых расширение Вселенной происходило быстрее, чем сейчас около нас. Согласно нашим предположениям, различные скорости расширения обусловлены различием эпох. Но не связано ли видимое ускорение с тем, что мы смотрели на Вселенную в разных местах? И что отдаленные ее места ведут себя иначе, чем близкие?

Наблюдения за скоплениями галактик говорят о том, что Вселенная выглядит примерно одинаково во всех направлениях.

Но это совсем не значит, что Вселенная одинакова повсюду. Например, мы можем представить Землю в центре огромной пузыреобразной структуры во Вселенной. Около нас материя заполняет пространство не так плотно, но, если двигаться к границам пузыря, плотность материи увеличится. Из центра пузыря, где мы находимся, Вселенная может показаться одинаковой во всех направлениях. Но видимость обманчива.

В 2006 году трое норвежских исследователей — Ховард Ал- нес, Морад Амарцгиуи и Эйвинд Грён — опубликовали захватывающую статью. В ней они проанализировали наблюдения за вспышками сверхновых, исходя из предположения о том, что мы находимся в центре своеобразного пузыря, в котором плотность ниже, чем снаружи. В статье им удалось объяснить наблюдения, не прибегая к темной энергии и ускоренному расширению Вселенной. Как мы помним, чем больше материи, создающей гравитацию, тем сильнее замедляется расширение Вселенной. В неоднородной Вселенной в различных местах возможны различные скорости расширения. В местах большего скопления материи расширение медленнее, чем в более разреженных. Тогда если мы окажемся в центре менее плотного пузыря и посмотрим наружу, то с перемещением в пространстве и времени увидим все более плотные части Вселенной. Чем более далекие сверхновые мы видим, тем плотнее Вселенная и тем медленнее она будет расширяться. Чем ближе к нам сверхновые во времени и пространстве, тем быстрее расширяется Вселенная. То, что мы ранее интерпретировали как ускоренное расширение Вселенной, в этой модели объясняется тем фактом, что мы находимся в определенном месте во Вселенной.

Модель интересна и вполне привлекательна, ведь она способна описать наши наблюдения без привлечения новой неизвестной сущности. Тем не менее у нее не так уж и много последователей, да и сами авторы статьи больше склонны к идее темной энергии. Все дело в том, что модель пузыря создает кучу серьезных проблем. И хотя космический пузырь неплохо согласуется с наблюдениями сверхновых, у него возникают большие проблемы, когда дело доходит до реликтового излучения. Модель также не в силах объяснить наблюдения интегрального эффекта Сакса — Вульфа (эффект исчезнувшего горнолыжного склона). Еще одна проблема заключается в том, что модель размещает нас в весьма особом месте — ровно в середине огромного пузыря. Те же ученые исследовали в более поздней статье, насколько близко мы должны быть к центру пузыря, чтобы наблюдения соответствовали модели. Оказалось, что при перемещении в случайное место внутри космического пузыря вероятность оказаться настолько близко к центру, чтобы результаты наблюдений были верными, составляет всего один к миллиону. Таким образом, для того чтобы считать модель состоятельной, необходимо очень точное совпадение факторов, и трудно представить себе причину, которая приведет нас в самую сердцевину такого пузыря.

Несмотря на проблемы, у этой модели имеется мораль: выдвигая гипотезы, следует мыслить трезво. Вывод об ускоряющемся расширении Вселенной основан на предположении, что Вселенная везде одинакова. И хоть это и кажется вполне разумным, альтернативные варианты исключать нельзя.

3.5. Участь Вселенной

А что произойдет с нашей Вселенной в будущем? Будет ли она существовать вечно? Ответы на эти вопросы зависят от природы темной энергии. Давайте рассмотрим три различных сценария: вечное расширение, Большой хлопок вследствие коллапса или же Большой разрыв и гибель Вселенной.

Вечное расширение

Этот сценарий, пожалуй, наиболее вероятен и осуществится, если темная энергия окажется космологической постоянной. Как вы помните, по мере расширения Вселенной темная энергия начинает преобладать, а скорость расширения увеличивается.

И как же Вселенная будет выглядеть в долгосрочной перспективе? Структуры, которые сейчас крепко связаны гравитацией, например планетные системы, галактики и скопления галактик, так и останутся рядом. Но расстояние между скоплениями галактик значительно увеличится. Примерно где-то через 100 миллиардов лет — впрочем, все зависит от природы темной материи — объекты за пределами нашего Местного скопления галактик увидеть будет уже невозможно. По нашим оценкам, у Солнца закончится энергия и оно умрет примерно через пять миллиардов лет, поэтому Земля в любом случае станет непригодной для жизни задолго до того, как скопления галактик исчезнут из нашего поля зрения.

Для излучения света звездам необходимы легкие химические элементы, которые будут «сгорать» в термоядерных реакциях. Примерно через 10^14 (сто тысяч миллиардов) лет все звездное топливо во Вселенной будет израсходовано. Последние звезды погаснут, и Вселенная станет темной. Эта темная Вселенная продолжит свое вечное расширение.

Коллапс — Большой хлопок

Большой хлопок, или Большое сжатие, — это Большой взрыв наоборот. Вселенная начнет сжиматься и в конце концов скол- лапсирует. Этот сценарий был популярен до открытия ускоренного расширения в 1990-х годах.

В мире без темной энергии судьба Вселенной зависела бы от количества материи. Если материя достаточно плотная, то гравитация начнет замедлять расширение до тех пор, пока оно не остановится.

Тоща Вселенная начнет сжиматься, и закончится все это Большим хлопком. Если плотность материи недостаточна, то гравитационные силы никогда не смогут остановить расширение. Да, Вселенная будет расширяться все медленнее, но никогда уже не начнет сжиматься.

Ранее мы рассматривали искривление пространства. Кривизна Вселенной определяется плотностью находящегося в ней «вещества». Я уже упоминал «критическую плотност ь» — эта величина описывает, насколько плотной должна быть материя, чтобы Вселенная была плоской. Плотность меньше критической приведет к искривлению, похожему на лошадиное седло. Такую Вселенную-седло, где сумма углов треугольника меньше 180°, мы называем открытой. Плотность, превышающая критическую, даст изогнутую внутрь Вселенную, как поверхность шара. Такую Вселенную называют закрытой. В этом случае сумма углов будет больше 180°. Оказывается, что плоская Вселенная, заполненная материей (без темной энергии), обладает недостаточной для большого сжатия плотностью. Открытая Вселенная без темной энергии тоже не сможет начать сжиматься. Закрытая Вселенная без темной энергии обладает достаточно большой плотностью, чтобы заставить Вселенную снова сжиматься. Именно поэтому наблюдения кривизны пространства стали столь важны для предсказания судьбы Вселенной.

Но после открытия ускоряющегося расширения пространства эта тесная взаимосвязь между искривлением и судьбой Вселенной пропала. Трудно представить, что Вселенная снова начнет сжиматься после того, как темная энергия в ней стала преобладать. Тем не менее пока мы на все сто не уверены в причинах расширения пространства, не стоит полностью исключать остальные варианты. Например, есть модели квинтэссенции, где темная энергия в конечном итоге перестанет отталкивать и начнет притягивать. Согласно этим моделям, когда-нибудь в будущем Вселенная может исчезнуть в результате Большого хлопка.

И хотя Большой хлопок — не самая вероятная судьба Вселенной, этот сценарий кажется мне очень привлекательным как для физиков, так и для простых любителей. Думаю, эта теория находит у нас отклик потому, что гораздо легче представить что-то имеющее конец, нежели нечто вечное. Кроме того, некоторые утверждают, что Большое сжатие может породить новый Большой взрыв и новую Вселенную. Таким образом, у нас получится длинная, возможно, бесконечно долгая череда Больших взрывов с Большими хлопками. Такая цикличность тоже может оказаться притягательной. Во-первых, она способна объяснить причину Большого взрыва. Во-вторых, наше расположение в космосе становится чуть менее особенным. Если Вселенной суждено вечно расширяться, то мы живем в особую эпоху, когда Вселенная допускает жизнь. Эта эпоха бесконечно мала по сравнению с бесконечной жизнью Вселенной. У многих такая мысль вызывает неприятие. В циклической Вселенной пригодные для жизни условия могут возникать снова и снова. Это делает нас менее особенными.

Идея Большого хлопка возникла довольно давно. Первым, кто применил общую теорию относительности для описания циклических Вселенных, был русский физик Александр Фридман — статью об этом он опубликовал еще в 1922 году.

(Здесь Фридман показывает, что общая теория относительности может дать «периодическую» Вселенную, которая расширяется и снова сжимается. По общему признанию, он не изучал более одного цикла в своей модели.)

Стоит также упомянуть, что мы понятия не имеем, приведет ли Большое сжатие к новому Большому взрыву. Пока у нас нет теории, объединяющей все фундаментальные взаимодействия, невозможно предсказать, что произойдет в случае коллапса.

Большой разрыв — когда Вселенная разрывается на части

В 2003 году была опубликована научная статья с живеньким заголовком: Phantom Energy and Cosmic Doomsday (Фантомная энергия и космический Судный день). В ней авторы описывают Вселенную с гипотетическим видом темной энергии, которую они называют фантомной. Мы помним, что космологическая постоянная обладает неизменной плотностью вне зависимости от того, насколько сильно увеличивается Вселенная. Фантомная энергия, как и космологическая постоянная, связана с отталкивающей гравитацией. Но в случае с фантомной энергией плотность будет увеличиваться вместе с расширением пространства. Таким образом, темная энергия становится все плотнее. Это приводит к еще более резкому расширению Вселенной, что, в свою очередь, приводит к еще большей плотности темной энергии. Через определенное время Вселенная расширится настолько сильно, что все связи между скоплениями галактик и галактиками полностью разорвутся. Затем на части разлетится Солнечная система. И в конце концов усиливающиеся отталкивающие силы все более плотной фантомной энергии разъединят все атомы и молекулы. Этот момент называется Большим разрывом и знаменует конец нашей Вселенной.

Позднее были выдвинуты различные модели поведения фантомной энергии. Большинство из них основаны на вариациях форм квинтэссенции. Как мы неоднократно упоминали, сегодня наблюдения указывают на то, что темная энергия подобна космологической постоянной. Но все же на основании наблюдений мы не можем полностью вычеркнуть вероятность существования фантомной энергии. И сколько тогда ждать до разрыва Вселенной? Ответ, естественно, зависит от природы этой формы энергии. Если сопоставить наблюдения Вселенной с простейшей моделью фантомной энергии, то Большой разрыв произойдет не раньше, чем через 100 миллиардов лет. Иными словами, беспокоиться пока особо не о чем.

А что произойдет после Большого разрыва? Образуются новые Вселенные? Время остановится? Мы не знаем. Отсутствие полноценной теории, описывающей фундаментальные взаимодействия, снова вставляет нам палки в колеса.

Хоть мы и не можем полностью исключить фантомную энергию и Большой разрыв, многие считают, что для этих моделей требуется нечто большее, чем экзотичная физика. На сегодняшний день наиболее правдоподобным кажется первый сценарий, тот самый, с вечно расширяющейся Вселенной, которая окажется в непроглядной темноте, но никогда не разорвется на части.

Что находится за пределами Вселенной?

Один из сложнейших вопросов, которые мне задают люди, узнав, что я астроном, вот какой: «Что находится за пределами Вселенной?» или «А Вселенная бесконечна?» Вопрос, конечно, слегка не по теме этой книги, но, поскольку мы начали двигаться в сторону бесконечности, возникает соблазн все равно осветить его.

Короткий ответ на эти вопросы: мы не знаем. Всю Вселенную мы не видим. Нам под силу разглядеть только те части, которые находятся достаточно близко, чтобы свету оттуда удалось достичь нас за время эволюции Вселенной. Когда мы смотрим на электромагнитное излучение, то границы наблюдаемого определяются реликтовым излучением. Высказываясь о том, как Вселенная выглядит за пределами космического горизонта, мы полагаемся исключительно на теорию, а не наблюдения. Тем не менее наблюдения, как мы убедились, показывают, что Вселенная везде одинакова. Поэтому давайте возьмем это за отправную точку. Мы также не утверждаем, будто за пределами Вселенной ничего нет. Вселенная включает в себя все существующее пространство. Само это пространство было создано в результате Большого взрыва, и говорить о чем-либо вне всего существующего не имеет смысла.

Бесконечна ли большая Вселенная или нет, зависит от кривизны. Сначала можно взглянуть на ситуацию с замкнутой Вселенной: пространство изгибается внутрь, как поверхность земного шара, а сумма углов треугольника превышает 180°. В этом случае Вселенная необязательно должна быть бесконечно большой. Как и в случае с глобусом, можно подумать, что если начать двигаться наружу в одном направлении и продвинуться достаточно далеко, то все равно вернешься именно туда, откуда начинал. На практике же это невозможно, ведь Вселенная расширяется. Даже если мы будем двигаться со скоростью света, постоянное расширение пространства гарантирует, что размер Вселенной будет постоянно увеличиваться быстрее скорости нашего движения. Это как улитка, пытающаяся обползти воздушный шар, а тот постоянно надувается, причем с достаточно высокой скоростью. В итоге улитка никогда не завершит круг. Измерения реликтового излучения показали нам, что Вселенная практически полностью плоская. Так что если она обладает внутренней кривизной, то искривление должно быть весьма незначительным. Это означает, что путь вокруг Вселенной сегодня должен быть очень длинным — намного длиннее, чем наблюдаемая Вселенная. Если Вселенная плоская или открытая, то, вероятнее всего, она бесконечно велика. Во всех случаях «вне Вселенной» ничего не существует. Насколько нам известно, границ Вселенная не имеет.

3.6. Невидимая Вселенная

За время чтения этой книги мы познакомились с темной материей и энергией, а именно с 95 процентами содержимого нашей Вселенной, которых мы не видим. Мы рассмотрели доводы в пользу существования темной материи и энергии и то, чем в итоге они могут оказаться. Осталось еще много вопросов без ответов, однако и известно нам немало.

В книге речь шла не только об этих невидимых субстанциях. Мы также поговорили о нашей Вселенной, о том, как мы действительно можем узнать что-то об огромном космосе, о том. что мы уже знаем и что нам только предстоит узнать.

Но наука ли это?

Можно ли считать научным заявление о существовании невероятных количеств невидимого вещества, о котором мы ничего не знаем? Да. Исследования темной материи и темной энергии — это не просто наука, а чуть ли не идеальный пример того, какой должна быть наука.

Наши познания в физике и о Вселенной развиваются благодаря взаимодействию теории и наблюдений. Наблюдать, не связывая увиденное с теорией, — это все равно что марки коллекционировать. Никакого понимания из этого не последует. Наблюдения становятся интересными только тогда, когда они используются для подтверждения или опровержения имеющихся у нас теорий. В то же время физические теории бесполезны, если их нельзя проверить на основе наблюдений. И когда теория и наблюдения не совпадают, правда всегда будет на стороне наблюдений. Хорошего исследователя отличает готовность опровергнуть даже дело всей жизни лучшего друга, если оно противоречит действительности.

В этом отношении теориям темной материи и энергии нет равных, ведь эти концепции нравятся лишь немногим физикам. Они «уродливые» и усложняют картину Вселенной, а введение новых неизвестных переменных в красивую теорию или модель не может пройти безболезненно. Поэтому столько камней и летит в альтернативные интерпретации наших наблюдений. Возможна ли ошибка в наблюдениях? Или что-то не так с самими моделями? Может, законы гравитации недостаточно точны? Вселенная-пузырь и теория MOND Милгрома — это попытки найти альтернативы темной энергии и темной материи. Для проверки моделей темной материи и темной энергии проводятся новые эксперименты, в результате которых осуществляются новые наблюдения. Мы ищем частицы темной материи в глубоких шахтах и запускаем спутники, чтобы нанести на карту космоса стандартные линейки. И все это для проверки наших моделей.

Большинство из нас все-таки считает, что темная материя и энергия существуют. Не потому, что нам нравится эта мысль, а потому что все факты на нашей стороне. Это и есть наука во всей ее красе.

3.7. Встреча наибольшего с наименьшим

Эта книга — о Вселенной, а огромнее Вселенной объектов не существует. Тем не менее вам довелось прочитать немало об элементарных частицах, взаимодействующих исключительно на микроскопических расстояниях, об ускорителях частиц и квантовых флуктуациях. А объектов более маленьких в природе не существует. Тем не менее эти темы неотделимы от нашего понимания космоса. Распределенную по скоплениям галактик темную материю ищут, в том числе и в экспериментах с частицами. Ученые в ЦЕРНе пытаются воссоздать условия, соответствующие тем, что сложились сразу после Большого взрыва. Если им удастся обнаружить суперсимметрию, это значительно поможет в разгадке тайны темной материи. Или, может быть, это даст нам поле квинтэссенции, которое объяснит темную энергию? Возможно, найдется способ объяснить, почему космологическая постоянная настолько мала? Или почему ее вовсе не существует?

Но не только астрофизики заглядывают в труды физиков элементарных частиц. Это работает и в обратную сторону. Отличный пример — нейтрино, те самые частицы-призраки. Наблюдения за реликтовым излучением и скоплениями галактик дают нам гораздо более точные представления о количествах нейтрино, чем всевозможные эксперименты с частицами. Получается, с помощью космоса мы взвешиваем легчайшие частицы.

Наука о самом большом встречается с наукой о наименьшем. В грядущие годы новые наблюдения внесут свой вклад в оба конца физической шкалы масштабов. Просто ужасно интересно посмотреть на ожидаемые или неожиданные результаты. Будут ли физика элементарных частиц и астрофизика указывать в одну сторону? Но одно точно: взаимный интерес у представителей обеих научных сфер вряд ли ослабнет.

3.8. Антропный принцип — потому что мы здесь

Я только что хвастался, насколько прекрасны научные исследования темной материи и энергии. Теперь, ближе к концу книги, мы сделаем небольшой шаг за пределы жестких научных рамок. Мы познакомимся с антропным принципом.

Одна из сложностей, с которыми мы столкнулись на протяжении книги, — проблема космологической постоянной. Мы задавались вопросом, почему космологическая постоянная настолько мала, ведь предсказанное квантовой физикой «правильное» значение будет аж в 10 раз превышать наши измерения. Потом я еще упомянул, что мы должны быть благодарны такому маленькому значению. Будь оно намного больше, и галактики, звезды, планеты и цивилизации никогда бы не сформировались. Тут я уже практически намекнул на антропный принцип.

Грубо говоря, антропный принцип гласит, что Вселенная, которую мы наблюдаем, должна быть такой, какая она есть, ибо, если бы она была другой, никакие сознательные существа не появились бы, чтобы спросить, почему она именно такая.

(Антропный принцип встречается во многих различных формулировках у разных авторов. В частности, часто проводится различие между слабым и сильным антропным принципом. Моя не особо строгая формулировка ближе всего к слабому антропному принципу, сформулированному в книге известных космологов Джона Д. Барроу и Фрэнка Дж. Типлера «The Anthropic Cosmological Principle».)

Тот факт, что мы вообще задаемся этим вопросом, уже закладывает некоторые строгие требования к законам природы.

При помощи антропного принципа пытаются объяснить ряд физических величин. Например, мы упоминали, что гравитация намного слабее электромагнитных сил. Никаких естественных причин такой слабости гравитационных сил нет. Но будь они гораздо сильнее, и Вселенная стала бы слишком хаотичной и быстротечной для зарождения жизни. И тогда, опять же, некому было бы задаваться вопросом о слабости сил притяжения. Тот факт, что мы можем задать вопрос, сам по себе становится ответом.

Но наука ли это? Или, выражаясь точнее, можно ли назвать это естественной наукой? И да и нет. Но скорее все-таки нет. Это наука в том смысле, что рассуждения достаточно логичны. Мы бы действительно не смогли задать эти вопросы, если бы Вселенная была совсем другой. К тому же к этому принципу относятся как к науке, когда серьезные исследователи публикуют статьи на эту тему в серьезных профессиональных журналах. Однако антропный принцип сталкивается с серьезными проблемами, когда дело доходит до одного из священных принципов науки — фальсифицируемости.

В естественных науках люди выдвигают идеи, часто называемые гипотезами: их еще не проверили и не факт, что они верны. Но важно, чтобы был метод опровержения этих идей. То есть должна оставаться возможность провести эксперимент или наблюдение, способные доказать, что гипотеза неверна. Поэтому утверждение вроде «завтра пойдет дождь» — хорошее, опровержимое утверждение. «Я вчера видел НЛО» — не поддающееся опровержению утверждение. То, что гипотеза неопровержима, не значит, что она неверна. Однако современным критериям научности она не соответствует.

То, что космологическая постоянная остается такой, какая она есть, потому что мы здесь и можем ее наблюдать, не является опровергаемым утверждением. Не факт, что это неверно, но наукой это назвать нельзя.

(He все согласны с тем, что антропный принцип не допускает заявлений, которые можно опровергнуть. Наглядный пример этого дает статья 1987 года известного физика Стивена Вайнберга. Это было за десять лет до того, как космологическая постоянная приобрела популярность. В ней он использует антропный принцип, чтобы «предсказать», что значение космологической постоянной будет иметь примерно такое же значение, как мы наблюдаем.)

Антропные соображения интересны, потому что обсуждаемые нами физические величины на самом деле могли быть разными. Вернемся к космологической постоянной: верно ли, что в принципе она могла иметь все возможные значения? И получается, во время формирования Вселенная «придумала» одно конкретное значение космологической постоянной? Мы не знаем. Как я неоднократно повторял: у нас нет единой теории, объединяющей все силы природы. Может, когда-нибудь у нас появится такая теория, и, может быть, она расскажет нам, почему космологическая постоянная настолько мала, или мы поймем, что эта постоянная вообще равняется нулю. Или, возможно, это число, которое всегда нужно вводить вручную даже в самой совершенной теории, — число, которое могло быть чем угодно. Мы не знаем.

Предположим, значение космологической постоянной могло быть иным. От чего тогда оно зависит? И тут в игру вступает Мультивселенная.

(Слово «Мультивселенная» используется при описании множества моделей и феноменов. Я ссылаюсь на тот тип Мультивселенной, который связывают с инфляционными моделями Вселенной. Инфляционная стадия — это непостижимо короткий период времени сразу же после Большого взрыва, когда Вселенная расширялась невероятно быстро. Фаза инфляции постепенно вкралась в нашу стандартную картину Вселенной, несмотря на то что до сих пор не хватает наблюдений, которые могли бы точно подтвердить, что так и было. Существуют различные механизмы, объясняющие, как эта инфляция могла возникнуть. Популярный тип модели называется «хаотическая инфляция» или «вечная инфляция». Эти модели основаны на скалярных полях, мало чем отличаясь от квинтэссенции. Предполагается, что при хаотической инфляции будет создано бесконечное количество Вселенных.)

Часть физиков-теоретиков считает, что наша Вселенная не единственная, а такие процессы, как Большой взрыв, могут создавать большое, возможно, бесконечное количество Вселенных. Некоторые представляют, что новые Вселенные-пузыри возникают, как пузырьки на зарослях водорослей. Идея заключается в том, что часть физических величин, а к ним относится и космологическая постоянная, могут варьироваться в таких различных Вселенных. Таким образом, космологическая постоянная в подавляющем большинстве Вселенных будет несовместима с формированием таких сознательных наблюдателей, как мы. Но в некоторых Вселенных физические величины совпадут таким образом, что создадут условия для появления сознательных существ, которые зададутся вопросом, почему физические величины именно такие. При первом рассмотрении концепции Мультивселенной крайне соблазнительно прибегнуть к антропному принципу как разъяснительной модели.

Проблема с Мультивселенной опять же связана с фальсифицируемостью. В большинстве моделей разные Вселенные полностью отделены друг от друга. Нет никакой возможности наблюдать за другими Вселенными. И нельзя точно сказать, что их нет. И, опять же, немного обнадеживает вера в существование более фундаментальной теории. Такую теорию уж точно можно будет проверить. Если она способна описать условия, сопутствующие Большому взрыву, и предсказать формирование множества Вселенных, то у нас появятся косвенные признаки возможного существования Мультивселенной. Но до этого нам еще далеко. Такой теории у нас нет. Неизвестно, возможно ли ее вообще создать. Да и что в итоге предскажет эта теория, пока непонятно.

Хоть антропный принцип и привлекателен в своей простоте, он вряд ли поможет значительно продвинуться в понимании Вселенной. Этот принцип занимает оборонительную позицию. Он дает нам ответ наподобие такого: «Вселенная такая, какая она есть, потому что она такая, какая есть, разговор окончен» — не особо удовлетворительный ответ. Может, мы действительно живем в одной из множества независимых Вселенных и космологическая постоянная в каждой из них разная. В таком случае мы, наверно, никогда не узнаем, почему она настолько мала. Или все же узнаем. Я верю, что узнаем. Давайте по крайней мере попытаемся.

3.9. Счастье узнавать то, чего не знаешь

Коль уж о новой Вселенной мечтать,

Не забудь про порядок, а хлам весь оставь.

Стейн Торлейф Бьелла

В наше время легко разочароваться. Так много о Вселенной мы еще никогда не знали. Но в то же время прежде мы и не думали, что нам столько неизвестно. Впрочем, эта «известная» неизвестность также дает нам невероятно привилегированное положение в (возможно) бесконечной Вселенной. Мы вот-вот сделаем эпохальные открытия, которые будут оставаться вехами в истории человечества на протяжении всего нашего существования. И мы сами это осознаем!

Но так было не всегда. И здесь мне очень хочется вспомнить слова американского физика Альберта Майкельсона. Май кельсон — это вам не первый попавшийся: в конце XIX века они с Эдвардом Морли осуществили исследования, доказавшие, что скорость света одинакова независимо от направле ния движения.

Выводы сделали излишним эфир и проложили путь теории относительности Эйнштейна. Они предшествовали великой физической революции, которая произошла в начале XX века, когда квантовая физика и теория относительности перевернули наш мир с ног на голову. Но, как и многие другие, Майкельсон этого не ожидал. В 1903 году он написал: «Наиболее важные физические законы и факты уже давно открыты, и теперь они закрепились настолько прочно, что вероятность их вытеснения в результате новых открытий чрезвычайно мала».

Майкельсон полагал, будто все основные физические законы и истины уже открыты. Сегодня-то мы знаем, что все иначе. Мы знаем, что не понимаем ключевых свойств Вселенной, но также знаем, что ответы могут открыться нам в любой момент обозримого будущего.

В несущественно коротком отрезке пространства-времени в (возможно) бесконечной жизни Вселенной существуют условия, позволившие появиться сложным структурам и жизни. И люди существуют в исчезающе малой части этого времени. Бегло взглянув на историю человечества, можно узнать, из чего состоит почти вся Вселенная и чем она закончится. И многое указывает на то, что именно в этом коротком миге мы и находимся.

Content

Йостейн Рисер Кристиансен
Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

Для читателей, неравнодушных к загадкам природы

Предисловие

1. Большая невидимая вселенная

1.1. Невидимые яблоки Ньютона

1.2. Небесная иерархия

2. Темная материя

2.1. Когда скопления галактик сталкиваются

2.2. Старый кофе и французская философия

2.3. Вещество и его далекие отпечатки пальцев

2.4. Цвикки и быстрые галактики

2.5. Измерение расстояний в космосе

2.6. Темная материя. Или лишь слегка темноватая?

2.7. Вера Рубин и темные галактики

2.8. Звездный патруль

2.9. Так где же скрывается эта темная материя?

2.10. Невидимая физика

2.11. Связывающие нас заряды

2.12. Реликтовое излучение

2.13. Так что же такое темная материя?

2.14. Проклятие карликовых галактик

2.15. А что, если темной материи не существует?

2.16. Так существует ли темная материя?

3. Темная энергия

3.1. Так экзотична, так проста!

3.2. Ускоряющееся расширение Вселенной

3.3. Эйнштейн и космологическая постоянная

3.4. Наблюдения, указывающие на темную энергию

3.5. Участь Вселенной

3.6. Невидимая Вселенная

3.7. Встреча наибольшего с наименьшим

3.8. Антропный принцип — потому что мы здесь

3.9. Счастье узнавать то, чего не знаешь