Йэн Стюарт - Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

Вспомним, что в теории относительности масса эквивалентна энергии. Стандартная модель космологии плюс данные с космологического зонда Planck Европейского космического агентства указывают на то, что полная масса/энергия известной Вселенной включает в себя всего лишь 4,9 % нормального вещества, но 26,8 % темного вещества. Это оставляет нам еще больше — 68,3 % — на долю темной энергии. Получается, что темного вещества в пять раз больше, чем обычного, а в областях галактического масштаба масса темного вещества вместе с эффективной массой темной энергии в двадцать раз больше массы обычного вещества.

Аргумент в пользу существования скрытой массы (темного вещества, темной материи) в громадных количествах прост и прямолинеен [96] Это не совсем так. Даже в ньютоновской механике галактики не должны вращаться по законам Кеплера, поскольку эти законы справедливы только при вращении вокруг массы, сконцентрированной в центре, а вещество галактик распределено по большому объему, и, варьируя это распределение, можно получить почти любую форму кривой вращения. — Прим. ред. . Ее существование выводится из сравнения предсказаний уравнений Кеплера с наблюдениями. Эта формула занимала центральное место в главе 12. Она гласит, что полная масса галактики, от центра до заданного радиуса, равняется этому радиусу, умноженному на квадрат скорости вращения звезд на этом расстоянии и деленному на гравитационную постоянную. Рисунки из 12 главы показывают, что результаты наблюдений серьезно расходятся с этим предсказанием. Вблизи галактического ядра наблюдаемая скорость обращения звезд слишком мала; в отдалении от ядра — слишком велика. Мало того, кривые вращения остаются примерно постоянными до гораздо б о льших расстояний, чем доступное наблюдению вещество; по существу, именно его мы видим по излучаемому им свету.

Если вычислить распределение массы по наблюдаемым скоростям, то выяснится, что чертовски большая часть массы должна лежать за пределами видимого радиуса. Чтобы спасти уравнение Кеплера, вывод которого представляется строгим и бесспорным, астрономы вынуждены были постулировать существование больших количеств недоступного наблюдению темного вещества. С тех пор они и держатся за эту историю.

Аномальное поведение галактических кривых вращения было первым — и до сих пор остается наиболее убедительным — свидетельством в пользу того, что во Вселенной должно существовать очень-очень большое количество невидимого вещества. Дальнейшие наблюдения и другие гравитационные аномалии добавляют веса этой гипотезе и указывают, что скрытая масса — это не просто обычное вещество, почему-то не излучающее света. Это должен быть совершенно новый тип материи, взаимодействующий со всем остальным преимущественно посредством гравитации. Следовательно, это вещество должно состоять из субатомных частиц, совершенно отличных от всего, что мы когда-либо наблюдали в ускорителях частиц.

Скрытая масса — это неизвестный науке тип вещества.

Нет ничего удивительного в том, что значительная часть вещества Вселенной может оказаться недоступна наблюдению, но истории скрытой массы в настоящее время недостает главного. Решающим доказательством в пользу этой теории могло бы стать создание новых частиц с нужными свойствами в каком-нибудь ускорителе, скажем, в Большом адронном коллайдере. При помощи этого внушительного аппарата ученым не так давно удалось провести эпохальные наблюдения бозона Хиггса — частицы, которая объясняет, почему многие (но не все) частицы имеют массу. Но до сих пор в экспериментах на ускорителях не удалось обнаружить никаких частиц темного вещества. В космических лучах — высокоэнергетических частицах из дальнего космоса, в больших количествах падающих на Землю, — тоже не удалось ничего обнаружить.

Таким образом, хотя во Вселенной полно этой материи, темное вещество встречается в ней куда чаще, чем обычное, — но куда бы мы ни посмотрели, везде мы видим только обычное вещество.

Физики приводят различные примеры. Безумные гипотетические частицы им хорошо знакомы. Классический случай — нейтрино, вывод о существовании которого был сделан на основании применения закона сохранения энергии к определенным типам взаимодействия частиц. Нейтрино выглядело очень странно по сравнению с известными на тот момент частицами: не имело электрического заряда, почти не имело массы, могло почти беспрепятственно пройти Землю насквозь. Все это звучало нелепо, но эксперименты в конце концов выявили нейтрино. Сегодня делаются первые шаги в направлении нейтринной астрономии: ученые пытаются использовать эти частицы для зондирования далеких областей Вселенной.

В то же время множество гипотетических частиц оказалось плодом разыгравшегося воображения теоретиков.

Некоторое время считалось, что мы, возможно, просто не замечаем большое количество совершенно обычного «холодного темного вещества» — его собирательное имя было «массивные компактные объекты гало» (MACHO). Этот термин описывает любые тела, которые состоят из обычного вещества, почти не излучают и могли бы существовать в галактических гало, — это коричневые карлики, тусклые красные и белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры… даже планеты. Когда загадка кривых вращения была выявлена впервые, именно такое вещество было очевидным кандидатом на роль скрытой массы. Однако массивных компактных объектов гало, судя по всему, не хватит, чтобы объяснить громадное количество ненаблюдаемого вещества, которое, по мнению космологов, обязательно должно где-то там присутствовать.

Необходим совершенно новый тип частиц. Это должно быть нечто, о чем теоретики уже думают или могут начать думать, и по определению это должно быть нечто, о существовании чего мы пока не знаем. Так что нам ничего не остается, как только с головой погрузиться в рассуждения.

Один из возможных вариантов — ряд гипотетических частиц, известных как слабо взаимодействующие массивные частицы, или вимп-частицы (WIMP). Предположение состоит в том, что эти частицы появились из плотной перегретой плазмы ранней Вселенной и взаимодействуют с обычным веществом только через слабое ядерное взаимодействие. Такая частица подходит под наши требования, если обладает энергией около 100 ГэВ. Теория суперсимметрии — один из ведущих кандидатов на роль объединителя теории относительности и квантовой механики, предсказывает новую частицу именно с такими параметрами. Это совпадение известно как вимп-чудо. Когда начались наблюдения на Большом адронном коллайдере, теоретики надеялись, что он сможет увидеть целую кучу суперсимметричных партнеров известных частиц.