Следы темной материи и энергии

Темная энергия темна по крайней мере в двух смыслах. Во‑первых, она невидима – не излучает света, не поглощает и не отражает его. Во‑вторых, ее физическая природа и микроскопическая структура полностью неизвестны.

А. Д. Чернин, «Темная энергия вблизи нас»

«Темные гравиконцентраты» и первые галактики

«Темные века» Вселенной закончились формированием гравитационных зерен светящейся и темной материи, из которых впоследствии возникли первые галактики.

ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ

Одним из самых удивительных парадоксов современного естествознания является то, что мы совершенно не знаем, из чего состоит подавляющее большинство массы окружающей нас материи. В середине прошлого века у астрономов стала крепнуть уверенность, что в глубине космоса происходит что‑то непонятное, связанное с наличием в Мегагалактике некой скрытой массы, названной впоследствии темной материей. С тех пор в стане астрономов, космологов и теорфизиков (иногда к ним присоединяются и философы) не утихают споры по поводу происхождения и природы темной материи. Особенно сильно полемика о составе и роли темной материи во вселенских процессах разгорелась в последнюю четверть ушедшего века, когда ряд астрономов подвергли детальному изучению динамику вращения гигантских спиральных галактик. Вот тут выяснился еще один космический парадокс, на первый взгляд нарушающий законы небесной механики. Дело в том, что сравнительно высокая скорость вращения (по космическим меркам) должна была бы превратить «звездные острова» Метагалактики в своеобразные галактические центрифуги, выбрасывающие массы легкого межзвездного водорода на периферию. Так вот, спектральное излучение подобных микроскопических спутников, окутывающих паутиной окраины галактик, показывает, что вращаются они гораздо быстрее, чем следовало бы. Получается, что галактические частицы вращаются не как планеты Солнечной системы – по законам Кеплера, а как части некого пространственного галактического «твердого тела», «цементируемого» гравитацией темной материи (рис. 26 цв. вкл.).

Вообще говоря, темная часть вещества Метагалактики может включать и обычные небесные тела, не испускающие собственного излучения, например планеты – газовые гиганты, наподобие Юпитера, Сатурна, Нептуна и Урана.

Их существование достаточно надежно подтверждают уникальные снимки с космического телескопа Хаббла[ Телескоп назван именем выдающегося американского астронома Эдвина Пауэлла Хаббла. ], сделанные по результатам наземных наблюдений за светимостью ближайших звезд. В ходе подобных наблюдений астрономы иногда отмечают частичные затмения звезд, когда лучи света, идущего от них к нам, пересекают крупные планеты. Можно считать подтвержденным и существование межзвездных затмевающих тел, не обладающих собственной энергией излучения в наблюдаемом диапазоне, – они получили название «массивных компактных галообъектов».

В последнее время среди большинства ученых утвердилось мнение, что именно скрытая масса вместе с еще более таинственной темной энергией возникла почти сразу же после Большого взрыва, когда еще не существовало знакомых нам элементарных частиц и полей. Масло в огонь споров о сущности темной материи добавило открытие конца прошлого века, наглядно показавшее, что галактики – осколки Большого взрыва – не только не замедляют свой разбег, двигаясь «на излете», а, наоборот, продолжают наращивать скорость. Все это ученые связывают именно с влиянием неизвестных «темных» частиц, наполняющих Вселенную.

Сказать что‑либо более определенное о материальной основе нашего мироздания пока еще очень трудно. Ведь она очень слабо взаимодействует с различными видами излучения, такими, как радиоволны, инфракрасное излучение, ультрафиолет и особенно видимый свет, чем и объясняется ее название. Однако, как и «нормальная» материя, темная составляющая Вселенной обладает вполне определенной массой, гравитационно взаимодействующей с «обычной» материей звезд, планет, малых небесных тел и газопылевых туманностей.

Все чаще предлагаются сценарии ранней эволюции нашего мира, в которых темная материя играет важнейшую роль первичных «гравитационных зерен». Именно подобные «темные гравиконцентраты» могли бы вызвать локальное увеличение пространственной плотности энергии. Избыточная плотность гравитации в таких областях новорожденного мира притягивала бы к себе все окружающее вещество, становясь зародышами будущих галактик.

Сегодня большинство астрофизиков сходятся на том, что масса невидимой материи Вселенной далеко не ограничивается скрытой от нас массой обычных небесных тел и распыленного вещества, они склонны добавлять к ней и совокупную массу все еще не открытых видов элементарных частиц. Они даже получили специальное название – «массивные частицы слабого взаимодействия». Теоретически они не должны проявлять себя во взаимодействии со световым и прочим электромагнитным излучением, а наша Галактика может быть со всех сторон окружена сферической оболочкой из таких частиц. Земля, в силу своего движения, должна постоянно находиться под воздействием «ветра скрытых частиц», и вполне возможно, что с течением времени одна из частиц такого «темного ветра» вступит во взаимодействие с одним из земных атомов и возбудит колебания, необходимые для ее регистрации. Лаборатории, проводящие подобные эксперименты, уже сообщают о том, что получены первые намеки на подтверждение реального существования шестимесячного полупериода колебания частоты регистрации сигналов об аномальных событиях подобного ряда. Именно этого и следовало ожидать, поскольку полгода Земля движется по околосолнечной орбите навстречу ветру скрытых частиц, а в следующие полгода ветер дует «вдогонку» и частицы залетают на Землю реже (рис. 27 цв. вкл.).

Главная проблема тут в том, что еще до формирования атомов, на протяжении примерно первых трехсот тысяч лет после Большого взрыва, Вселенная пребывала в протоплазменном состоянии. Любое ядро привычной нам материи распадалось, не успев сформироваться, под мощнейшей бомбардировкой со стороны перегретых частиц раскаленной, сверхплотной, непрозрачной плазмы. После того как Вселенная расширилась до некоторой степени прозрачности разделяющего вещество пространства, начали, наконец, формироваться легкие атомные ядра. Но к этому моменту Вселенная расширилась уже настолько, что силы гравитационного притяжения не могли противодействовать кинетической энергии разлета осколков Большого взрыва, и все вещество, по идее, должно было бы разлететься, не дав сформироваться устойчивым галактикам, которые мы наблюдаем.

В этом и состоит смысл своеобразного «галактического парадокса», долгое время ставившего под сомнение саму теорию Большого взрыва.

Вопрос существования темной материи до последнего времени вызывал ожесточенные споры среди ученых. Одни говорили, что это призрачный миф, другие, напротив, считали ее существование вполне закономерным. Необходимы были убедительные доказательства наблюдения этой невидимой субстанции, и одна из первых попыток была сделана при помощи рентгеновской космической обсерватории «Чандра» в исследованиях гравитационного взаимодействия скоплений галактик.

Эти грандиозные космические структуры образовались сотни миллионов лет назад, когда в результате взаимного проникновения отдельные галактики стали пронизывать друг друга со скоростью около пяти тысяч километров в секунду, чтобы, в конце концов, предстать в нынешнем виде. При проникновении таких больших масс друг в друга неизбежны гравитационные флуктуации, изменяющие направление и скорость движения отдельных членов скопления и газовых облаков.

Но какие частицы составляют темную материю, пока неизвестно. Можно лишь утверждать, что это не обычные частицы, из которых состоят окружающие нас предметы, а также планеты, звезды (и мы сами); то есть это не протоны, не нейтроны и не электроны.

Фундаментальная физика может предложить на роль частиц темной материи только гипотетические частицы, которые никогда еще не наблюдались в лаборатории. Они должны быть, скорее всего, довольно массивными, в тысячи раз превышая массу протона. Они не должны обладать электрическим зарядом и вообще не должны участвовать в электромагнитном взаимодействии. Они не должны также участвовать и в сильном ядерном взаимодействии; им разрешено только слабое ядерное взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад атомных ядер, и, конечно, гравитационное.

Спектр спиральной галактики

Если бы все вещество спиральной галактики было сконцентрировано в ее рукавах, где мы наблюдаем видимые звезды, то и атомы распыленного водорода, подчиняясь третьему закону Кеплера, двигались бы всё медленнее по мере удаления от центра галактической массы. Астрофизикам, однако же, удалось экспериментально выяснить, что на любом удалении от центра галактики водород движется с неизменной скоростью. Можно подумать, будто он «приклеен» к гигантской вращающейся сфере, состоящей из некоей невидимой «темной» материи.