Борис Штерн - Прорыв за край мира

Здесь на сцену вышла темная материя. Примерно в то же время стало ясно, что галактики существенно тяжелей, чем составляющие их звезды, газ и пыль. В галактиках есть что-то еще, поскольку они вращаются слишком быстро — требуется большая масса, чтобы своим тяготением уравновесить центробежную силу. Появился даже кандидат на роль темной материи — нейтрино. Если у нейтрино есть небольшая масса, то реликтовые нейтрино, подобные реликтовым фотонам, но уже медленные из-за своей массы, могут скапливаться в галактиках и делать их тяжелее. Как раз к месту появился и экспериментальный результат, дававший массу нейтрино около 30 эВ — даже больше, чем требовалось. Как выяснилось, результат этот был неверным, но мысль о массивном нейтрино продолжала носиться в воздухе — она, по крайней мере, смягчала кризис.

Если у нейтрино есть масса, например 10 эВ, то во времена рекомбинации газ нейтрино составлял большую часть массы Вселенной. И что важно, нейтрино были уже медленными еще задолго до рекомбинации. Гравитационная неустойчивость на большом масштабе неоднородностей начала работать для них раньше, чем для обычного вещества (нейтрино очень слабо взаимодействуют и распространяются во Вселенной свободно начиная с первых секунд после Большого взрыва). Поэтому к моменту рекомбинации они могли создать большие ямы гравитационного потенциала (в пересчете на современную Вселенную — 20 мегапарсек и больше), куда потом «стечет» обычное вещество, образовав крупномасштабную структуру. С помощью нейтрино удавалось свести концы с концами, если первичные неоднородности, запечатлевшиеся в реликтовом излучении, оставались на уровне одной десятитысячной. Но этот уровень был уже пройден — на нем не обнаружилось никакой анизотропии!

Выход мог быть лишь один: темная материя состоит из неизвестных частиц, почти не взаимодействующих с обычным веществом, скорее всего, гораздо более тяжелых, чем нейтрино, и более тяжелых, чем протоны. Нужно, чтобы в первые минуты Вселенной они уже были медленными. Подобная темная материя получила название «холодной». В этом случае контраста начальных неоднородностей чуть больше, чем 10 -5, хватает, чтобы к моменту рекомбинации темная материя успела «скомковаться» до контраста 10 -3, необходимого для образования галактик. Обычное вещество потом потянется за темной материей. При этом сеть каустик, о которой шла речь выше, формируется именно темной материей, и лишь потом обычная ба-рионная материя стягивается в эту сеть и подсвечивает ее образовавшимися звездами. Так и возникает крупномасштабная структура.

25.1. Центральная часть массивного скопления галактик Abell 1689. Голубые дуги — изображения галактик, находящихся за скоплением, растянутые и усиленные из-за эффекта гравитационного линзирования. С помощью подобных дуг измеряют массу скопления и даже распределение массы по его площади. Из этих оценок видно, что для объяснения огромной массы скопления не обойтись без темной материи, количественно превосходящей обычную в несколько раз.

Получается так: первичные неоднородности (их происхождение обсуждается ниже) имели амплитуду 5·10 -5(современная оценка) — как в темной, так и в обычной материи. До эпохи рекомбинации обычная материя осталась с тем же контрастом — в ней слишком большое радиационное давление и нет условий для развития гравитационной неустойчивости. А в холодной темной материи условия есть! Поэтому до эпохи рекомбинации она могла увеличить свой контраст почти на два порядка. Но не больше — на большее не хватает времени. Выходит, первичные неоднородности, а значит, и неоднородности обычного вещества к моменту рекомбинации и анизотропия реликтового излучения (которые близки по величине) не могут иметь контраст меньше, чем 10 -5! Это противоречило бы факту формирования галактик. Анизотропия 10 -5(которая традиционно обозначается как дисперсия температуры излучения ΔТ/Т ) была последним рубежом, дальше которого теория не могла отступать — за этим рубежом начиналась мистика. А из заявлений команды РАТАН-600 следовало, что этот рубеж уже пройден. Перед космологией как наукой замаячила суровая проблема. Почва уходила из-под ног: мы видим галактики и их скопления, точно знаем, как эволюционируют неоднородности, но не видим того, из чего они должны развиваться. Казалось, еще немного — и останется только развести руками: космология как наука не работает — никто ничего не понимает.

Проблема рассосалась к концу 1980-х, началу 1990-х годов. Серия экспериментов в космосе («Реликт», СОВЕ) показала, что неоднородности реликтового излучения существуют, и их амплитуда как раз порядка 10 -5, чуть выше. Наука выстояла!

Что касается данных РАТАН-600, то, похоже, просто произошла некоторая путаница в определениях величин. Сейчас видно, что РАТАН-600 не мог достигнуть уровня 10 -5— этому препятствовали существующие фоны галактического происхождения и аппаратные шумы.

Тем не менее, напряженность, вызванная долгим ожиданием открытия анизотропии реликтового излучения (в которую внес свою лепту РАТАН-600), сыграла большое значение, приведя теоретиков в тонус, заставив их как следует продумывать модель холодной темной материи. В частности, поэтому обнаружение анизотропии реликтового излучения было встречено во всеоружии.

В существовании темной материи не сомневается почти никто из ученых: она очень нужна в космологии и астрономии, причем ставит всё на свои места. Известно, сколько ее, примерно известно, какими свойствами она должна обладать. Но в современной физике частиц темная материя остается загадкой. В стандартной модели элементарных частиц нет ничего похожего на темную материю. Дело в том, что она требует новой физики. Есть теории, имеющие статус гипотез, где такие частицы существуют. В принципе, темная материя может быть найдена, если она хоть как-то связана с обычной. Если она, пускай слабо, взаимодействует с обычными частицами, то ее можно зарегистрировать в больших детекторах, расположенных глубоко под землей. В других экспериментах пытаются обнаружить поток нейтрино из центра Земли или от Солнца — частицы темной материи могут скапливаться там под действием тяготения и аннигилировать друг с другом, рождая нейтрино. Пока ничего не нашли.

25.2. Столкновение двух скоплений галактик. Наложены три изображения: оптическое (галактики), рентгеновское (розовый цвет — горячий газ) и реконструкция распределения массы (синий цвет), сделанная с помощью гравитационного линзирования. Галактики с их звездами свободно прошли друг через друга и с ними — облака темной материи, в которых заключена основная масса (два синих облака). А газ скоплений, который по массе на порядок превосходит звезды галактик, неупруго провзаимодействовал -облака газа отстали от своих скоплений