Слон во Вселенной. 100 лет в поисках темной материи - Говерт Шиллинг
Нечто подобное случилось 20 лет спустя. В начале 2015 года я приступил к написанию книги о гравитационных волнах – чрезвычайно слабых колебаниях самой ткани Вселенной, вызванных такими событиями, как слияние черных дыр. Гравитационные волны были предсказаны в общей теории относительности Альберта Эйнштейна несколько десятилетий назад, и с тех самых пор ученые старались их обнаружить. Когда я начал писать книгу, то уже знал, что через несколько месяцев заработают передовые детекторы гравитационных волн – новые модели лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) в США и детектора Virgo в Италии. Стало ясно, что до открытия, скорее всего, осталось не дольше нескольких лет.
И действительно, гравитационные волны были впервые обнаружены в сентябре 2015-го, а объявлено об этом открытии было в феврале следующего года. И снова я отложил в сторону все другие дела, чтобы как можно скорее закончить книгу. «Рябь в пространстве-времени» (Ripples in Spacetime) вышла летом 2017 года.
Так что, когда в начале 2018 года я принялся за новую книгу – о темной материи, то полушутя говорил астрофизикам и специалистам по физике элементарных частиц, у которых расспрашивал о состоянии дел в этой области, что со дня на день ожидаю революционных результатов. Ведь было бы просто замечательно стать первым, кто расскажет о долгожданном решении загадки темной материи и о том, из чего же в действительности состоит эта таинственная субстанция, которая обеспечивает вселенское равновесие.
К сожалению, этого не случилось. Так что вынужден вас огорчить: когда вы дойдете до последней страницы, то так и не узнаете, из чего же состоит большая часть материальной Вселенной. Но не знают этого и ученые. Несмотря на десятилетия размышлений, догадок, поисков, исследований и модельных расчетов темное вещество остается одной из величайших тайн современной науки. И все же, прочтя эту книгу, вы узнаете многое о нашей удивительной Вселенной и о том, как астрономы и физики сумели выведать ее тайны.
Темная материя бросает вызов нашему воображению. Подобно невидимому клею она скрепляет Вселенную и служит ее движущей силой. Без нее галактики и скопления галактик распались бы, а пространство давно бы расширилось в небытие. Темная материя – это самое важное, что есть в нашем мире, но при этом мы узнали про нее лишь несколько десятков лет назад и не имеем ни малейшего понятия о ее истинной природе.
Что ж, благодаря труду сотен преданных делу ученых мы хотя бы поняли, чем она не может быть. Темная материя – это не множество очень тусклых звезд. Это не всепроникающий темный межгалактический газ. Темная материя не состоит из черных дыр – уж точно не из «привычных» их представителей, постепенно осваиваемых астрономами. Более того, темная материя не состоит из обычных атомов и молекул. Это нечто странное и совершенно экзотическое.
И именно темная материя сформировала Вселенную, в которой мы живем. Она стала «каркасом», обеспечившим рост крупномасштабной структуры Вселенной. Благодаря ей стало возможным образование скоплений галактик, самих галактик, звезд, планет и, в конечном счете, появление людей. Но несмотря на существование множества связанных с нею научных дисциплин и вовлеченных в ее изучение исследователей, проблема эта, похоже, далека от решения. Выдвигались разные гипотезы и предположения, приводились косвенные свидетельства, и ученые зачастую принимали желаемое за действительное. Но до сих пор нет ни единого убедительного наблюдения и даже намека на истинную природу темной материи.
История поисков темной материи берет свое начало в 30-х годах XX века, хотя острота проблемы была осознана 50 лет назад, когда тревогу астрономов начали вызывать большие скорости вращения внешних областей спиральных галактик вроде нашей собственной. Вскоре проблемой занялись еще и специалисты по физике элементарных частиц, и стало ясно, что ее решение невозможно без привлечения совершенно новой формы материи. Из-за ее ключевой роли в эволюции Вселенной эта новая темная материя стала играть важнейшую роль в космологии – изучении свойств Вселенной на самых больших масштабах. Изучение темной материи находится на стыке нескольких областей науки, в него на протяжении многих десятилетий оказались вовлечены наблюдатели, теоретики, экспериментаторы и специалисты по компьютерному моделированию.
Этой проблемой на протяжении длительного времени занималось великое множество людей, и поэтому в такой книге невозможно отдать всем им должное. В конце концов, книга «Слон во Вселенной» – это не трактат для специалистов, и она не претендует на исчерпывающее изложение истории предмета. Это, скорее, общий взгляд на изучение темной материи во всем потрясающем разнообразии подходов. Личные истории многих ключевых фигур дают некоторое представление об изобретательности, настойчивости и порой даже упрямстве ученых, посвятивших свою профессиональную деятельность поиску решения величайших загадок природы. Я проведу вас, читатель, по далеким астрономическим обсерваториям и подземным лабораториям. Мы побываем на научных конференциях и побеседуем с нобелевскими лауреатами и с постдоками [2], только что защитившими диссертацию исследователями. К сожалению, из-за пандемии ковида не все поездки удалось осуществить, а многие интервью пришлось делать по телефону или в Zoom.
Нам предстоит охватить широкий круг вопросов, связанных с проблемой темной материи. Хотя бо́льшую часть из 25 глав можно читать совершенно независимо друг от друга, я расположил их в таком порядке, чтобы лучше представить масштаб загадки и показать развитие осмысления этой проблемы. Для начала в главе 1 мы познакомимся с Джеймсом Пиблсом – отцом популярной космологической модели с холодной темной материей (cold dark matter, CDM) и лауреатом Нобелевской премии по физике 2019 года, которой он был удостоен за вклад в теоретическую космологию. Затем, в главе 2 мы посетим лабораторию Гран-Сассо в Италии, чтобы получить начальное представление об экспериментальном подходе к решению проблемы темной материи. Ведь темная материя – это не одни лишь компьютерные модели и доклады на конференциях. В этот самый момент десятки ученых во всем мире заняты экспериментальной проверкой теории в надежде решить эту загадку.
После того как я подогрею ваш интерес этим поверхностным знакомством с теорией и экспериментами, в главе 3 мы вернемся на столетие назад, чтобы узнать про первые свидетельства пробелов в нашем понимании материального наполнения Вселенной. Гораздо позднее, в 70-х годах прошлого века, физики поняли, что невозможно обеспечить устойчивость галактик вроде нашей без привлечения огромных более или менее сферических гало из темной материи (глава 4). Первопроходцы – такие как астроном Вера Рубин – начали осознавать, что большие скорости вращения галактик можно объяснить только наличием в них гораздо
