Пол Хэлперн - Коллайдер

Поскольку мачо-объекты, проходящие между Землей и далекими звездами, должны искажать изображение, микролинзирование дает способ их «взвесить». Если мачо-объект вдруг окажется на луче зрения в направлении наблюдаемой звезды (например, одной из звезд близкой галактики), она благодаря гравитационной фокусировке на миг станет ярче. А когда «мачо» пройдет мимо, звезда потускнеет и примет прежний вид. По этой кривой блеска астрономы могут вычислить массу объекта.

В 90-х гг. в рамках проекта МАСНО международная группа астрономов из обсерватории на горе Стромло в Австралии составила каталог, в который вошли около 15 «подозрительных» событий. Участок за участком просматривая гало Галактики и используя в качестве звездного фона Большое Магелланово Облако (спутник Млечного Пути), ученые натолкнулись на характерные кривые блеска. По этим наблюдательным данным астрономы оценили: около 20% всей материи в галактическом гало составляют мачо-объекты с массой от 15 до 90% массы Солнца. Эти результаты свидетельствовали о том, что окраину Млечного Пути населяют тусклые и сравнительно легкие звезды, которые хоть почти и не светят, но создают силу притяжения. То есть частично прояснилось, какие небесные тела водятся на периферии Галактики, но чем объяснить оставшуюся долю скрытой массы по-прежнему было непонятно.

Есть и другие причины полагать, почему мачо-объекты не могут дать окончательный ответ на загадку темной материи. В астрофизических моделях нуклеосинтеза (образования химических элементов), зная, в каком количестве сегодня присутствует тот или иной элемент в космосе, можно рассчитать, сколько протонов содержала Вселенная в первые моменты после Большого взрыва. А это дает возможность оценить долю барионного вещества во Вселенной. К сожалению, расчеты показывают, что только часть темной материи имеет барионную природу, остальное находится в какой-то другой форме. Поскольку мачо-объекты, состоящие из знакомых нам барионов, не подошли на роль панацеи, ученые обратили свой взор на других кандидатов.

Неслучайно мачо-объекты наградили столь брутальным названием: тем самым их хотели противопоставить другому классу тел, предложенных для объяснения темной материи, - неуловимым «вимпам» (WIMP - слово, образованное от англ. Weakly Interacting Massive Particles - «слабовзаимодействующие массивные частицы»). В отличие от «мачо», «вимпы» - это не небесные тела, а новый тип массивных частиц, которые участвуют только в слабых и гравитационных взаимодействиях. Раз они тяжелые, «вимпы» должны обладать небольшими скоростями, что делает их превосходным гравитационным «клеем»: они не дают распасться гигантским структурам, наблюдаемым в космосе, таким как галактики и скопления галактик.

Нейтрино можно было бы не сбрасывать со счетов, будь они тяжелее и усидчивей. Ведь они, как и положено лептонам, обходят стороной сильные процессы, и, как всем нейтральным частицам, им не страшен электромагнетизм. Однако ничтожная масса и непоседливость нейтрино заставляют исключить их из рассмотрения. За их юркость нейтрино можно уподобить поверхностному политику, который то и дело совершает вылазки в разные округа, стремясь привлечь на свою сторону электорат перед выборами в городской совет. Разве захотят люди объединяться вокруг человека, который не в состоянии осесть на одном месте и завоевать твердую поддержку? Так и нейтрино, которые нигде подолгу не задерживаются и мало на что влияют, вряд ли подходят на роль объединяющего стержня.

Нейтриноподобные частицы - слишком легкие и быстрые, чтобы образовывать структуры, - получили название горячей темной материи. Хотя скрытая масса во Вселенной в какой-то степени может состоять из них, с их помощью нельзя объяснить, почему звезды во внешних областях галактик держатся за свой родной «остров» так крепко и почему сами галактики собираются в скопления. Более грузное вещество, отличающееся размеренным шагом, в том числе «мачо» и «вимпы», относятся к классу холодной темной материи. Если бы нам удалось достаточно ее наскрести, мы бы знали, из чего сделаны космические подпорки.

Но если не нейтрино, то какие нейтральные частицы неадронного происхождения обладают значительной массой и могут летать настолько медленно, чтобы оказывать влияние на звезды и галактики? Как ни прискорбно, но в Стандартной модели такие в дефиците. Помимо нейтрино, «мачо» и «вимпов» на роль темной материи претендует, и, как считают некоторые теоретики, небезосновательно, аксион. Эта массивная частица вводится в квантовой хромодинамике (теории сильных взаимодействий), но до сих пор экспериментально не обнаружена. На данный момент поиски скрытой массы во Вселенной зашли в тупик.

Самое время попросить помощи у БАК. Возможно, в осколках столкновений на ускорителе будет крыться разгадка тайны холодной темной материи. Первыми в списке претендентов идут легчайшие суперсимметричные партнеры: нейтралино, чарджино, глюино, фотино, скварки, слептоны и некоторые другие. Если их масса (в энергетических единицах) не сильно отличается от тераэлектронвольта, их нетрудно будет заметить по характерным распадам, проявляющимся в калориметрах и системах слежения.

Но если бы темная материя была единственной вселенской загадкой, физики бы прикусили язык, скрестили пальцы и сидели бы тихонько ждали, пока БАК или какой-нибудь еще прибор выдаст подходящие результаты. Это как вывесить объявление о работе и спокойно ожидать, когда на собеседование придет квалифицированный специалист. На горизонте, однако, появился орешек покрепче, уже успевший доставить ученым хлопот. Речь идет о темной энергии. Мало того, что они не знают, что именно от них скрывается, они даже не представляют, где искать.

Впервые научное сообщество лицом к лицу столкнулось с темной энергией в 1998 г. [27]Тогда две группы астрономов - научный коллектив из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли под началом Сола Перлмуттера и наблюдатели обсерватории на горе Стромло (в их числе Адам Рисс, Роберт Киршнер и Брайан Шмидт) - огласили потрясающую новость о расширении Вселенной. Чтобы проследить, как космос расширялся в прошлом, исследователи измеряли расстояния до сверхновых в далеких галактиках. Отложив на одном графике эти расстояния в зависимости от скоростей галактик, найденных по доплеровскому смещению спектральных линий, астрономы смогли определить, как параметр Хаббла, характеризующий скорость удаления, менялся на протяжении миллиардов лет.

Использованные в наблюдениях звезды, так называемые сверхновые типа 1а, обладают замечательным свойством: в интенсивности энергии, излучаемой ими во время взрыва, прослеживаются определенные закономерности. Благодаря столь предсказуемому поведению упомянутым группам удалось посчитать расстояния до звезд, сравнивая наблюдаемую яркость с известным значением. Другими словами, астрономам досталась своего рода рулетка, с помощью которой можно «достать» до звезд, находящихся за миллиарды световых лет от нас, то есть взорвавшихся давно в прошлом.