Мартин Рис - Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную [litres]

Отдельные коричневые карлики могут быть обнаружены с помощью гравитационного линзирования. Если один из них проходит напротив яркой звезды, тогда тяготение коричневого карлика фокусирует свет и блеск яркой звезды оказывается увеличенным. В результате этого яркая звезда будет вспыхивать и тускнеть определенным образом, если перед ней проходит коричневый карлик. Это явление требует очень точного расположения звезд на одной линии относительно Земли, поэтому мы его наблюдаем очень редко, даже если и существует достаточно коричневых карликов, чтобы составить всю темную материю в нашей Галактике. Тем не менее астрономы ведут активные поиски таких явлений микролинзирования (приставка «микро» в данном случае добавляется, чтобы отделить это явление от линзирования целых скоплений галактик, о котором упоминалось выше). Ученые постоянно следят за миллионами звезд, чтобы найти те, яркость которых от ночи к ночи меняется. Но со многими звездами это происходит по самым разным причинам: одни пульсируют, другие вспыхивают, третьи обращаются вокруг своих соседей, составляя двойную звезду. Исследователи обнаружили тысячи таких звезд, которые, конечно, интересны, но являются лишь досадной помехой с точки зрения поиска явлений микролинзирования. Иногда находят звезды, демонстрирующие характерное повышение и ослабление яркости, и вполне возможно, что перед ними проходит невидимая масса, фокусирующая свет. Пока все еще не ясно, происходит ли достаточное количество таких событий, чтобы можно было говорить о новой, более-менее распространенной популяции коричневых карликов, или это всего лишь обычные тусклые звезды проходят перед более яркими.

Есть и несколько других кандидатов на звание темной материи. Холодные «планеты», блуждающие в межзвездном пространстве и не связанные ни с какой звездой, могут существовать в больших количествах и оставаться необнаруженными. То же самое можно сказать и о напоминающих кометы глыбах замерзшего водорода. Могут это быть и черные дыры.

Тем не менее есть подозрение, что коричневые карлики или кометы (или даже черные дыры, если считать их останками мертвых звезд) составляют лишь малую часть темной материи. Дело в том, что есть серьезные основания полагать, что темная материя вообще не состоит из обычных атомов. Это предположение связано с дейтерием (тяжелым водородом).

Как уже упоминалось в предыдущей главе, любой дейтерий, который мы наблюдаем, должен был появиться во время Большого взрыва, а не синтезироваться внутри звезд. О его количестве в нашей Вселенной до настоящего времени точно не было известно. Но астрономы нашли спектральный след дейтерия, отличающийся от обычного водорода, в свете, идущем от очень далеких галактик. Для измерений потребовались новые мощные телескопы с зеркалами диаметром 10 м. Наблюдаемое содержание дейтерия является ничтожным: только один атом из 50 000 является атомом дейтерия. Соотношение, которое должно было сохраниться со времен Большого взрыва, зависит от плотности Вселенной, и наблюдения согласуются с теорией, если плотность составляет 0,2 атома водорода на 1 м 3. Это в достаточной степени соответствует реальному количеству атомов в светящихся объектах: половина приходится на галактики, а половина – на межгалактический газ, но тогда ничего не остается для объяснения темной материи.

Если существует достаточно атомов, чтобы составить темную материю, которая в пять (а возможно, и в десять раз) больше того, что мы действительно видим, результаты наблюдений перестанут соответствовать теории. Тогда расчеты Большого взрыва будут предсказывать еще меньше дейтерия и несколько больше гелия, чем мы действительно наблюдаем, и происхождение дейтерия во Вселенной станет загадкой. Это говорит нам о важной вещи: атомы во Вселенной, плотность которой составляет 0,2 атома на 1 м 3, создают только 4 % критической плотности, а основная масса темной материи состоит из чего-то инертного с точки зрения ядерных реакций. Экзотические частицы, а не обыкновенные атомы, вносят основной вклад в значение числа Ω {11} 11 Меньшее количество дейтерия в случае, когда плотность выше, на первый взгляд кажется ошибочным результатом, но на самом деле это вполне естественно. Чем выше плотность, тем чаще ядра сталкиваются друг с другом и тем быстрее ядерные реакции будут превращать водород (с одним протоном) в гелий (с двумя протонами и двумя нейтронами). Дейтерий (с одним протоном и одним нейтроном) – промежуточный продукт реакции. Если плотность высока, его остается не слишком много, потому что реакции проходят так быстро, что почти весь дейтерий перерабатывается в гелий. С другой стороны, если бы плотность была ниже, нам стоило бы ожидать большего количества «остаточного» дейтерия, оставшегося после первых трех минут существования нашей Вселенной. Эта зависимость тонкая, поэтому любые достаточно точные измерения доли дейтерия говорят нам о средней плотности атомов во Вселенной. .

Неуловимые частицы, которые называются нейтрино, – один из кандидатов. У них нет электрического заряда, и они с трудом взаимодействуют с обычными атомами: почти все нейтрино, которые попадают в Землю, проходят сквозь нее насквозь. В течение первых нескольких секунд после Большого взрыва, когда температура достигала 10 млрд градусов, сжатие было столь велико, что реакции, превращающие фотоны (кванты излучения) в нейтрино, были достаточно быстры, чтобы создать равновесие. Следовательно, количество нейтрино, оставшихся от «космического огненного шара», должно быть связано с количеством фотонов. Используя обыкновенные и непротиворечивые законы физики, любой может подсчитать, что соотношение нейтрино к фотонам должно составлять 3 к 11. Сейчас в излучении, оставшемся от Большого взрыва, содержится 412 млн фотонов на 1 м 3. Существует три разновидности нейтрино, и в каждом кубическом сантиметре содержится 113 нейтрино каждого вида – другими словами, на каждый атом во Вселенной приходятся сотни миллионов нейтрино. Разумеется, в контексте темной материи важны самые тяжелые из этих трех видов.

Поскольку количество нейтрино значительно превышает количество атомов, они могут быть основной составляющей темной материи, даже если масса каждого из них составляет одну стомиллионную атома. До 1980-х гг. почти все считали, что нейтрино – это частицы с нулевой массой покоя; в таком случае они будут иметь энергию и двигаться со скоростью света, но их гравитационное воздействие не будет играть роли. (Подобным образом фотоны, оставшиеся от начального этапа существования Вселенной, теперь обнаруживаются в реликтовом излучении и не проявляют какого-либо заметного гравитационного воздействия.) Но сейчас считается, что нейтрино могут иметь какую-то массу, хотя и очень маленькую.