Коллектив авторов - Происхождение Вселенной. Как с помощью теории относительности Эйнштейна можно проникнуть в прошлое, понять настоящее и предвидеть будущее Вселенной [litres]

Космос гораздо обширнее, чем те галактики со всем их видимым веществом, которые мы можем наблюдать. В нем незримо присутствует также таинственная субстанция, именуемая темной материей, которая играет более значительную роль, чем обычная материя, и служит гравитационным клеем при образовании звезд и галактик.

Несколько десятилетий тому назад мы думали, что понимаем, из какого вещества состоит Вселенная, но теперь это не так. Сейчас мы знаем, что атомы, из которых состоит все видимое вещество в космосе – от галактик до планет и облаков межзвездного газа и пыли – представляют менее 20 % всей космической материи. Остальные 80 % – это темная материя, невидимая в обычные телескопы. Но если мы не можем ее видеть, откуда же мы знаем, что она есть?

Мы не можем взвесить Солнце или планету на весах. Но мы можем определить их массу, измеряя гравитационное притяжение, которое они оказывают на окружающие их объекты. Таким же образом можно измерить массу галактики или даже скопления галактик, наблюдая, насколько быстро звезды и другие объекты вращаются вокруг их центров. Швейцарский астроном Фриц Цвикки (1898–1974) применил в 1933 году этот принцип к скоплению галактик Волос Вероники, содержащему более 1000 галактик и находящемуся на расстоянии 300 миллионов световых лет от нас. Он нашел, что отдельные галактики в этом скоплении двигаются слишком быстро для своих масс. И непонятно, что их удерживает в скоплении, ведь, по сути, они должны были разлететься в разные стороны (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Доказательство существования темной материи: звезды у краев галактик двигаются слишком быстро, чтобы удерживаться на орбите только за счет притяжения материи, которую мы видим в галактическом центре

Необычные результаты, полученные Цвикки, не привлекали большого внимания вплоть до конца 1960-х годов, когда Вера Рубин (1928–2016) из Института Карнеги в Вашингтоне измерила доплеровское смещение облаков водородного газа в некоторых далеких галактиках. Измерения показали, что для тех скоростей, с которыми облака вращаются вокруг центров галактик, требуется гораздо больше массы, чем ее содержится в видимом веществе.

Без темной материи само существование многих галактик, которые кажутся устойчивыми, открыто отрицает законы физики. Тот факт, что они все-таки существуют, служит одной из наиболее веских причин полагать, что в космосе существует многое, не видимое для нашего глаза.

Хотя до сих пор мы не можем увидеть эту самую темную материю, мы видим доказательства ее существования везде, куда бы ни падал наш взор. Возьмем, например, космический микроволновый фон. Изучая картину распределения областей КМФ, температуры в которых немного выше и ниже средней, мы смогли многое узнать об истории развития нашей Вселенной и ее составе (рис. 6.2). Кроме всего прочего, эти вариации КМФ говорят нам о том, как была распределена материя в ранней Вселенной. Темная материя начала собираться в комки под действием гравитации раньше обычного вещества, поэтому следы ее влияния можно увидеть на небе в многочисленных маленьких горячих и холодных областях с угловыми размерами, равными примерно 0,25 градуса.

Картина распределения этих пятен позволяет нам определить, сколько должно быть темной материи. Оказывается, на 1 грамм видимого вещества в космосе должно приходиться 4 или 5 граммов, которые мы не видим.

Рис. 6.2. Сравнение ранней и современной Вселенной

Даже если бы темная материя была не нужна для удерживания галактик от разлетания, в ее отсутствие космос выглядел бы совсем по-другому. Так говорят модели Вселенной, полученные на суперкомпьютере. Такое моделирование прослеживает движение миллиардов частиц на протяжении всей эволюции Вселенной и помогает понять, почему Вселенная стала такой, какая она есть. Когда атомы газа в обычной материи сжаты в более тесном объеме, они сталкиваются чаще. Это взаимодействие стремится оттолкнуть атомы друг от друга, препятствуя дальнейшему сжатию газа под действием гравитации. С другой стороны, частицы темной материи вяло взаимодействуют друг с другом и поэтому «кучкуются» более охотно. Моделирование с учетом этих свойств показывает, что при расширении и эволюции Вселенной первыми образовывались «комки», или гало, темной материи.

Первые образовавшиеся гало темной материи были, вероятно, размером с Землю, но гораздо менее плотными. Со временем они начали слипаться и постоянно росли. В конце концов некоторые выросли настолько, что начали притягивать большое количество атомов водорода, гелия и других элементов обычного вещества. Так стали появляться зерна первых звезд и галактик.

Поражает совпадение форм и размеров структур, получаемых при моделировании поведения темной материи, с теми, которые реально наблюдаются в нашей Вселенной. Практически не остается сомнений, что темная материя реально существует и, более того, что именно она послужила питомником для формирования галактик, таких как наш Млечный Путь.

До сих пор мы не можем дать исчерпывающего ответа на этот вопрос. Она должна быть невидимой или, по крайней мере, едва заметной, поэтому в ее состав не должно входить ничего, что может сильно излучать, отражать или поглощать свет. Таким образом, обычное вещество, состоящее из атомов, не подходит. Так возникла гипотеза, что темную материю могут составлять большие объекты, такие как черные дыры или экзотические нейтронные звезды, или белые карлики, ведь они практически не видны в телескопы. Такие объекты даже получили специальное название: массивные астрофизические компактные объекты гало ( massive astrophysical compact halo objects, MACHO ). Но наблюдатели отвергли эту гипотезу. Дело в том, что сильная гравитация таких объектов отклоняла бы свет, идущий к нам от далеких звезд. Мы видим эффекты гравитационных линз, но достаточно редко: эти явления могут объяснить только несколько процентов недостающей массы.

Большинство космологов считают, что мы буквально купаемся в море темной материи, состоящей из газа слабо взаимодействующих массивных частиц, газа, который пронизывает всю галактику, включая нашу Солнечную систему. Тем не менее ни одна из частиц, открытых за последнее столетие, не годится на эту роль. Темная материя должна быть чем-то совершенно новым. За последние годы были сделаны дюжины различных предположений. Предлагались различные варианты: от тяжелых нейтрино-подобных частиц до сверхлегких гипотетических аксионов, от обычной материи со слегка искаженными свойствами (см. ниже «Странно знакомые») до действительно странных вариантов с частицами, двигающимися сквозь дополнительные пространственные измерения.