Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» № 11 за 2003 год

Другой путь объяснения недостающей массы выбрали физики, изучающие элементарные частицы. Они предположили, что галактическое пространство заполнено частицами особого вида. Их общее количество как раз и образует ту самую скрытую массу. WIMPs предположительно возникли, когда наша Вселенная была еще очень молодой и горячей.

Почему же мы их не видим и почему эти частицы не собираются в плотные объекты типа темных карликов? Приходится предположить, что частицы эти практически не взаимодействуют с другими, обычными частицами, и в частности не излучают фотонов. Только гравитация указывает на их существование. Эти необычные свойства создают большие трудности в доказательстве существования WIMPs.

Если эти частицы существуют, то они заполняют всю нашу Галактику и непрерывно пронизывают Землю. От обычных частиц, прилетающих из Космоса, нас спасает атмосфера, которая поглощает даже наиболее энергичных представителей. Но WIMPs не взаимодействуют с обычной материей и, следовательно, не задерживаются атмосферой. Каждую секунду нас, возможно, пронизывает примерно 10 14 этих частиц, к счастью, не влияющих на молекулы нашего тела, поэтому мы их просто не замечаем, и они пролетают сквозь нас, не оставляя никакого следа.

Надежда обнаружить WIMPs основана на том, что, возможно, они все-таки взаимодействуют с обычными частицами. Пусть вероятность столкновения крайне мала, но если собрать много обычных частиц вместе, то, возможно, с кем-нибудь эта неуловимая WIMPs да «провзаимодействует». Ведь их должно быть очень много, и если подольше подождать, то столкновение произойдет. Конечно, подавляющее большинство этих частиц пролетит незамеченным не только сквозь материал, но и сквозь Землю, но, возможно, отдельные WIMPs-неудачники все-таки столкнутся с атомами материала-мишени.

Так, проект профессора Бернарда Садулета и Уолтера Стокуэллэ (из Калифорнийского университета Беркли) предусматривает охлаждение большого куска кристаллического материала почти до абсолютного нуля температур. Если через такой кристалл будут пролетать мириады WIMPs, то когда-нибудь они провзаимодействуют с материалом кристалла. Ожидается, что небольшое тепло, которое выделится при столкновении, будет зафиксировано приборами, что и докажет существование WIMPs.

Очевидно, что, чем больше кристалл, тем больше в нем атомов и тем быстрее произойдет желаемое событие. Поэтому проект нейтринного подледного телескопа AMANDA предполагает использование антарктического льда в качестве кристалла-мишени. Детекторы будут помещены глубоко в толщу льда, что сильно увеличит общий размер мишени и, значит, число столкновений. Но за все приходится платить – температура такой мишени, конечно же, не может быть сильно понижена, а значит, чувствительность всей системы будет хуже.

Скрытая масса может, вообще говоря, существовать в двух формах – «горячей» и «холодной». Под холодной скрытой массой (cold dark matter) понимаются такие WIMPs, которые движутся с нерелятивистскими скоростями (то есть много меньшими, чем скорость света). В распоряжении физиков имеется несколько таких частиц – кандидатов на WIMPs, и все они объединены одним недостатком – существуют лишь в теории. Возможно, это нейтралино – тяжелая частица, которая просто обязана существовать, как считают многие физики. А может, и аксион – частица с чрезвычайно малой массой.

Горячая скрытая масса (hot dark matter) – это частицы, которые движутся со скоростями, близкими к скорости света. Их масса так мала, что они оставались релятивистскими достаточно долго в процессе формирования Вселенной, пока ее температура не упала до нескольких сот градусов Кельвина. Как показывают расчеты, масса таких частиц должна быть меньше 100 электронвольт. Это значит, что она по крайней мере в 5 000 раз легче электрона. Подходящим кандидатом на эту роль являются нейтрино. Со времен своего открытия нейтрино считались безмассовыми. Но прошло время, семья нейтрино выросла (их теперь 3 вида) и «приобрела вес» (недавно было доказано, что по крайней мере 1 из 3 видов нейтрино обладает ненулевой массой). И, наконец, оно действительно крайне слабо взаимодействует с другими частицами. Концентрация нейтрино в космосе составляет примерно 100 штук в кубическом сантиметре, и они вполне могли бы играть роль скрытой массы. К сожалению, модель горячей скрытой массы сталкивается с трудностями при объяснении того, как облака таких нейтрино сжимаются в более плотные объекты, поскольку все, что быстро двигается, в кучу собирается плохо…

Но вернемся к холодной скрытой массе. Поскольку WMPs имеют большую массу, они еще на ранних стадиях развития Вселенной становятся нерелятивистскими и начинают образовывать отдельные облака. Гравитационное поле сживает скрытую массу и, что более важно, притягивает барионы – протоны и нейтроны – обычное вещество, из которого состоит видимый нами мир. Поэтому галактики формируются довольно рано, что соответствует наблюдениям. Действительно, всего через миллиард лет после Большого взрыва галактики уже существовали. Это было бы трудно объяснить, имея в своем распоряжении только барионы. Обрадованные успехом, астрофизики решили просчитать дальнейшую эволюцию этих облаков, состоящих преимущественно из скрытой массы. И тут их ждало разочарование. Со временем эти облака должны были образовать гораздо более мелкие и плотные сгустки. Наблюдения же говорят, что их просто нет! И вообще, распределение скрытой массы в кластерах галактик не соответствует расчетному. Тем не менее модель холодной скрытой массы, похоже, гораздо ближе к истине, чем модель горячей скрытой массы.

Возможно, если учесть все эффекты, то наблюдаемые данные и расчеты придут к согласию, считают одни ученые. Другие же полагают, что разногласий слишком много и надо что-то существенно менять. Неопределенность в свойствах WIMPs позволяет делать различные предположения об их свойствах, чтобы получить разумное согласие с наблюдениями. Так Штейнхард (Steinhardt) и Спергель (Spergel) из Принстонского университета предположили, что эти частицы, хотя и «не видят» обычную материю, очень хорошо взаимодействуют друг с другом. Их интенсивные столкновения делают облака этих частиц более рыхлыми. Впрочем, последние наблюдения обсерватории «Чандра» ставят под сомнение и эту модель.

Некоторые ученые считают, что если некое явление существует, но не имеет объяснения с точки зрения современной науки, то это ставит под сомнение как саму космологию, так и большинство ее выводов. Возможно, это слишком сильное утверждение, но свойства скрытой массы действительно важны для понимания процессов, протекающих в нашей Вселенной. Например, если Вселенная с самого начала после Большого взрыва расширялась равномерно во все стороны, то непонятно, почему отдельные ее части стали конденсироваться и затем превращаться в галактики и звезды. Существует несколько моделей формирования галактик, и присутствие скрытой массы является необходимой составляющей большинства из них.

Скрытая масса является в каком-то смысле и философской категорией. Так, например, профессор Бернард Садулейт, директор Центра астрофизических исследований частиц Калифорнийского университета в Беркли, писал в своей статье, вышедшей в «Нью-Йорк Тайме»: «Это продолжение мировоззренческой революции Коперника. Теперь мы уже не только не в центре Вселенной, но и состоим из особого вещества, которое является лишь небольшой добавкой к основному компоненту Вселенной»…

Сергеи Рубин, доктор физико-математических наук

Люди и судьбы: Галантный философ

Умный и циничный французский герцог – так охарактеризовал Ларошфуко Сомерсет Моэм. Изысканный стиль, меткость, лаконичность и не бесспорная для большинства читателей суровость в оценках сделали «Максимы» Ларошфуко, пожалуй, наиболее известными и популярными среди сборников афоризмов. Их автор вошел в историю как тонкий наблюдатель, явно разочарованный в жизни – хотя его биография вызывает ассоциации с героями романов Александра Дюма. Эта романтическая и авантюрная его ипостась ныне почти забыта. Но большинство исследователей сходятся на том, что основания мрачной философии герцога кроются именно в его сложной, полной приключений, непонимания и обманутых надежд судьбе.

Ларошфуко – древняя аристократическая фамилия. Этот род ведет свое начало с XI века, от Фуко I сеньора де Лароша, чьи потомки до сих пор живут в фамильном замке Ларошфуко недалеко от Ангулема. Старшие сыновья в этом роду издревле служили советниками французских королей. Многие носившие эту фамилию вошли в историю. Франсуа I Ларошфуко был крестным французского короля Франциска I. Франсуа III – одним из лидеров гугенотов. Франсуа XII стал учредителем Французского сберегательного банка и другом великого американского ученого-естествоиспытателя Бенджамина Франклина.