Александр Волков - 100 великих загадок астрономии

Вновь к этой загадке вернулись лишь в начале 1960-х годов, когда американский астроном Вера Рубин, анализируя, как распределяются скорости звезд в спиральных галактиках, убедилась, что они не уменьшаются по мере удаления от галактического центра, а остаются почти неизменными – около 200 километров в секунду. С этого времени в научных кругах всерьез заговорили о существовании темного вещества.

В 1980-ые годы во Вселенной были обнаружены обширные скопления галактик. Они тоже не вписывались в привычную теорию. Подобные структуры могли возникнуть вскоре после Большого взрыва лишь потому, что в космосе гораздо больше вещества, чем мы можем заметить. Иначе бы их не было и по сей день! Очевидно, сгустки темного вещества становились своего рода «центрами конденсации» при образовании галактик. Вокруг них скапливалось обычное, видимое нами вещество. Со временем эти сгустки превратились в галактики и галактические скопления. Они расположены очень причудливо. Они напоминают бусины, нанизанные на нити. Между ними зияют огромные пустоты. Мироздание, как кто-то остроумно заметил, похоже на мириаду мыльных пузырей, улетающих вдаль.

Точнейшие измерения космического фонового излучения, проведенные в 2001 году, показали, что темное вещество не может быть горячим, то есть не может состоять из нейтрино, движущихся почти со скоростью света. Нельзя его трактовать и как совокупность массивных несветящихся объектов – коричневых карликов. Мы живем в занимательное время, подчеркивают физики, хотя общее количество темного вещества известно довольно точно – Вселенная на 23 % состоит из него, его по-прежнему невозможно идентифицировать.

До недавних пор ученые знали о темном веществе лишь одно – что оно должно быть. Появляющиеся в последнее время модели можно назвать первыми бликами в этом темном мире неведомых субстанций. В современных суперкомпьютерах наше мироздание предстает перед нами во всей его полноте и сложности. «Поразительно, что столь изящное расположение галактик не объяснить ничем иным, кроме динамики темного вещества, – отмечает автор одной из таких компьютерных моделей, астрофизик Андрей Кравцов из Чикагского университета. – Результаты подтверждают, что наши представления о том, как формировались структуры Вселенной, – а именно теория Большого взрыва и идея расширения Вселенной, – принципиально верны. Количественный анализ показывает, что именно так шло становление крупных космических структур».

Так, например, исследователи из кембриджского Института астрономии и Базельского университета составили трехмерную модель двенадцати карликовых галактик, входящих в нашу Местную группу. Анализируя движение звезд на экране монитора, ученые попробовали оценить влияние темного вещества – той тайной силы, без которой эти коллекции небесных тел рассыпались бы в беспорядке, как… музейные экспонаты, исчезни вдруг темные остовы стеллажей, удерживающие их. По какому же каркасу скользили компьютерные светила? По пузырям из темного вещества, протянувшимся в среднем на тысячу световых лет.

Тем временем существование темного вещества подтверждают не только выкладки теоретиков, но и результаты астрономических наблюдений. В последние двадцать лет с помощью телескопа «Хаббл» не раз удавалось наблюдать близ галактических скоплений огромные светящиеся дуги, арки или круги. Масса этих скоплений так велика, что отклоняет свет, излучаемый лежащими за ними звездными системами. Астрономы говорят о так называемых «гравитационных линзах». Как показали вычисления, их масса должна быть раз в 60 больше суммарной массы звезд, образующих скопления. Таким образом, эти «линзы», вероятно, состоят в основном из темного вещества.

Первое, как полагают, прямое свидетельство существования темного вещества обнародовали в 2006 году Дуглас Клоув и Максим Маркевич. Группа американских астрономов наблюдала под их руководством за столкновением двух галактических скоплений в 3,8 миллиардах световых лет от Земли. Во время этой коллизии одно скопление прошило другое – пробило его насквозь, как пуля, а потому их конгломерат, помимо официального наименования 1Е0657—56, наградили еще и прозвищем «Пулевидное скопление».

Как известно, в галактическом скоплении масса горячего газа, находящегося между галактиками, намного превышает суммарную массу звезд галактики. Поэтому такие коллизии начинаются с того, что громадные массы газа сталкиваются друг с другом, замедляют свое движение и разогреваются. После столкновения большая часть обычного вещества образовала огненный газовый шар, он расположился посредине Пулевидного скопления, в то время как темное вещество, как и ожидали ученые, окружило его.

Это выяснилось вот почему. Такой массивный объект, как Пулевидное скопление, служит настоящей гравитационной линзой. Однако здесь основной фокусирующий эффект создавала не центральная часть скопления, где и были видны газовые массы, а периферическая, где зримого нами вещества почти не было. Очевидно, там находилось темное вещество. Оно не взаимодействует ни с обычным веществом, ни с самим собой. Поэтому, кстати, оно вообще не заметило столкновения галактик – осталось не потревожено им.

Из чего состоит темное вещество?

Происхождение темного вещества по-прежнему остается загадкой. Может ли оно, например, состоять из холодного межзвездного газа, не испускающего никакого излучения? Против этой гипотезы говорит тот факт, что клубы газа могут разогреваться, а значит, тогда они переходят в категорию «обычного (барионного) вещества». Кроме того, совокупной массы холодного газа недостаточно, чтобы устранить выявленный дефицит.

А вот другая гипотеза, не требующая от нас пополнять мироздание сонмом неведомых элементарных частиц: все дело в холодных пылевых облаках. Их температура опять же, предполагается, настолько низка, что они не испускают никакого излучения, а потому их невозможно обнаружить. Однако огромные массы этой «ледяной пыли» все равно должны отражать звездный свет, а потому их можно увидеть в инфракрасном диапазоне. Кроме того, гигантские пылевые облака повлияли бы на зарождение звезд и так, пусть и косвенно, напомнили бы о себе.

Природа темного вещества порождает много теорий

В поисках недостающей массы вспомнили даже о коричневых карликах. Но расчеты показывают, что те могут составлять лишь малую часть таинственной скрытой массы.

Итак, ученые строят самые разные гипотезы, пытаясь объяснить природу темного вещества. Очевидно, оно состоит из не описанных Стандартной моделью физики и не открытых пока еще частиц. Небарионное темное вещество делят на горячее и холодное.

К первой категории долго причисляли нейтрино. Однако массы всех нейтрино в нашей Вселенной опять же не хватит, чтобы объяснить феномен темного вещества. В любом случае, если оно состоит из каких-то легких частиц, движущихся со скоростью, близкой к световой, то из двух сценариев зарождения крупных структур во Вселенной был бы справедлив тот, что условно называют «top down». Поначалу в космосе возникали громадные флуктуации вещества, из которых зарождались галактические скопления. В отдельных частях этих сгустков появлялись свои неоднородности – прообразы будущих галактик. Внутри них проступали небольшие комочки – будущие звезды, окруженные своими протопланетными дисками. Однако результаты наблюдений последних лет свидетельствуют о противоположном механизме формирования Вселенной; он получил название «bottom up». К тому времени, когда началось образование галактических скоплений, галактики давно уже зародились. Поэтому горячее небарионное вещество может составлять лишь малую часть темного вещества.

По мере того как все другие кандидаты отвергаются, все больший интерес у ученых вызывает «холодное небарионное вещество». Иными словами, это не открытые пока элементарные частицы, которые могут вступать лишь в гравитационное и слабое взаимодействие с видимым нами веществом. Никакого иного влияния они не оказывают; у них нет электрического заряда; они «не замечают» даже друг друга. Их условно называют – WIMPs, Weakly Interacting Massive Particles, «слабо взаимодействующие массивные частицы». Ведь эти долгоживущие частицы, как показывают расчеты, должны быть гораздо тяжелее протонов. Именно благодаря их огромным скоплениям Вселенная могла сформироваться по иерархическому принципу: от звезд к галактикам и далее к более крупным космическим структурам. Нейтрино же слишком быстро двигались для того, чтобы вокруг них могли образоваться сгустки.

Впрочем, согласно одной из гипотез, в ранней Вселенной даже слабо взаимодействующие частицы перемещались очень быстро. Лишь когда они поумерили свою скорость, началось зарождение галактик. Предполагается, что при распаде WIMPs могли возникать фотоны и электроны – они разрушали легкие атомные ядра, с которыми сталкивались. Возможно, поэтому во Вселенной содержится меньше лития, чем того требует теория.