Сто лет одиночества в толпе теорий

Говерт Шиллинг. Слон во Вселенной. 100 лет в поисках темной материи. М.: АСТ, 2025. Перевод с английского Андрея Дамбиса. Содержание

Незримый «каркас»

Согласно стандартной космологической модели, на барионную материю (то есть, «нормальную», состоящую из барионов — субатомных частиц, таких как протоны и нейтроны) приходится без малого 5%. При этом из барионной материи состоит примерно все в видимой нами Вселенной — галактики, звезды, планеты и все прочее, включая нас с вами.

Ученые считают, что остальное должно приходиться на загадочную темную материю (26,6%) и на еще более загадочную темную энергию (68,5%). Предположительно, темная материя сформировала и обеспечила крупномасштабный рост структуры Вселенной после Большого взрыва и задала основу для эволюции галактик, став своего рода «каркасом» мироздания. При этом темная материя должна состоять из неизвестного науке типа элементарных частиц, чрезвычайно слабо или вовсе не взаимодействующих с известным нам веществом.

Что касается гипотетической темной энергии, то она представляет собой нечто вроде антигравитации, благодаря которой Вселенная постоянно и с ускорением расширяется.

С определенного момента концепция темной материи стала играть важную роль и в физике элементарных частиц, поскольку она согласуется с теорией суперсимметрии (SUSY).

Но ни суперсимметрии, ни темной материи, ни темной энергии ученые до сих пор не обнаружили, хотя поиски длятся уже почти век. Почему?

«Обросла» густым забором мироздания

Все это началось, когда голландский астроном Якобус Корнелиус Каптейн — один из пионеров изучения Млечного Пути — впервые предположил возможность существования темной материи в 1922 году (по совпадению, этот год стал годом смерти ученого). Правда, он полагал, что ее количество не должно быть значительным. Затем в 1932 году его соотечественник и коллега Ян Хендрик Оорт впервые теоретически доказал наличие темной материи, измеряя движения звезд Млечного Пути.

А в 1933-м американский астрофизик швейцарского происхождения Фриц Цвикки получил первые свидетельства, указывающие на то, что в далеком скоплении галактик огромное количество темной материи. Ученый обратил внимание, что объекты на галактической периферии не замедляются, отдаляясь от центра, — а должны бы.

«Скорость вращения не уменьшается с расстоянием от центра галактик, а остается более или менее постоянной — это свидетельствует о том, что вещества в галактиках больше, чем мы видим в телескоп. <...> уже в первые мгновения после Большого взрыва началось образование темного массивного каркаса из каких-то странных элементарных частиц, который лишь потом стал „обрастать“ притянутой к нему привычной барионной материей. <...> в процессе Большого взрыва не могло образоваться достаточного количества барионной материи, чтобы объяснить динамические наблюдения и рост крупномасштабной структуры Вселенной, а значит, большая часть гравитирующей массы во Вселенной должна быть сосредоточена в некой непонятной, небарионной форме».

Темнейшие кандидаты

Метафору слона в темноте для рассказа о темной материи голландский астроном-любитель и популяризатор науки Говерт Шиллинг заимствовал из хрестоматийной суфийской притчи. Некий правитель получил в подарок слона и отправил своих советников разобраться, что он из себя представляет (в его стране никто не имел ни малейшего представления о том, что это за зверь). Советники подошли к предмету исследования с разных сторон, да еще и на ощупь, так как животное находилось в темном сарае, а светильников у них не было. В итоге один сделал вывод, что слон — это что-то длинное и извивающееся как змея, другой — что это нечто широкое как пальмовый лист, третий — что это дерево, покрытое кожей.

Похожая история и с кандидатами в темную материю. Вот основные из них.

Вимпы, WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Массивные слабовзаимодействующие частицы, чья масса должна быть как минимум в десятки раз больше массы протона. Вимпы почти никак не проявляют себя во взаимодействии с обычным веществом, но если они и существуют, то присутствуют примерно везде — например, проходят сквозь нас с вами, причем постоянно. Но мы ничего не чувствуем — и именно потому, что вимпы с веществом чрезвычайно слабо взаимодействуют. Если их и можно как-то зафиксировать, то только по гравитационному воздействию. Несмотря на десятилетия усилий ученых во множестве экспериментов, вимпы до сих пор не были обнаружены. Считается, что наиболее вероятный кандидат на роль темной материи из числа WIMP — нейтралино.

Аксионы. Эти чрезвычайно легкие гипотетические частицы — в миллиарды раз легче электрона. И они тоже крайне слабо взаимодействуют с обычной материей. Согласно теоретическим оценкам, масса самого «тяжелого» аксиона — примерно 1/100 электронвольта. В целом масса этой частицы может доходить вплоть до одной триллионной доли электронвольта. Будучи чрезвычайно легкими, аксионы проявляют волновые свойства на макроскопических масштабах — можно сказать, что они представляют собой размытые облака вероятности, заполняющие пространство, так как длина волны аксионов может быть сопоставима с шириной галактики. Однако экспериментальных доказательств существования аксионов тоже нет.

Стерильные нейтрино — гипотетические частицы, представляющие собой правые фермионы с нулевым электрическим зарядом. Они не участвуют в ни в каких фундаментальных взаимодействиях, кроме гравитационного. Пока нет прямых свидетельств существования стерильных нейтрино, хотя и считается, что их можно попытаться косвенно обнаружить по наблюдениям активных нейтрино или следов их распада.

Наконец, в числе кандидатов в темную материю есть и так называемые первичные черные дыры, образовавшиеся не за счет гравитационного коллапса крупных звезд, а в сверхплотной материи в момент начального расширения Вселенной после Большого взрыва. Первичные черные дыры относятся к классу массивных компактных гало-объектов (MACHO, Massive Compact Halo Object).

Не симуляцией, так кластеризацией

Поскольку поиски темной материи пока успехом не увенчались, а свои изыскания ученые прекращать не собираются, им требуется сочетание все более совершенных методов наблюдения и все более сложных теоретических моделей.

Например, компьютерная симуляция IllustrisTNG позволяет проследить за формированием миллионов галактик в рамках модели Вселенной диаметром в миллиард световых лет. Галактики в этой симуляции образуются из темной материи и сети газов. Еще более продвинутый вариант — модель MillenniumTNG — демонстрирует взаимное влияние темной и барионной материи (например, как процессы, связанные со сверхмассивными черными дырами и взрывами сверхновых, влияют на перераспределение вещества во Вселенной).

Что касается методов космического наблюдения, то относительно поисков темной материи основные из них следующие.

Кластерный анализ галактик. Наблюдения в разных частотных диапазонах позволяют выявить распределение масс в сталкивающихся скоплениях галактик, где темная и барионная материя оказываются разделены. Присутствие темной материи изменяет размер и количество малых и больших галактик, а также то, как они кластеризуются.

Слабое гравитационное линзирование. В этом методе используется эффект, при котором свет от других галактик растягивается под действием гравитации. Это приводит к искажению видимых форм галактик и позволяет определить количество и распределение темной материи.

Исследования космического микроволнового фона. Анализ космического микроволнового излучения, являющегося реликтом Большого взрыва, позволяет определить параметры Вселенной, такие как плотность темной материи и темной энергии, а также проверить возможные отклонения от стандартной модели.

Изучение гравитационных волн. Колебания пространства-времени, вызванные слиянием массивных объектов, таких как черные дыры или нейтронные звезды, несут информацию о свойствах гравитации и темной материи на очень высоких энергиях и скоростях. В этом исследовательском направлении 14 сентября 2015 года произошло прорывное событие: в обсерваториях LIGO и Virgo впервые зарегистрировали гравитационные волны, образовавшиеся от слияния двух черных дыр.

Однако что-либо достоверно указывающее на темную материю ни в одном из перечисленных экспериментов до сих пор обнаружено не было.

Подземная родина слонов

Темную материю ищут не только в космосе, но и под землей — в надежде ее прямого обнаружения. Считается, что чем глубже находится установка, тем добротнее будут проводиться замеры, так как мощный слой пород экранирует от космического излучения и фоновой радиации.

На сегодняшний день самая глубокая (2,4 км) исследовательская площадка по прямому поиску темной материи — это лаборатория CJPL-II (China Jinping Underground Laboratory-II) в Китае. Она расположена в тоннелях гидроэлектростанции в горном массиве Цзиньпин и оснащена датчиками с кратно повышенной чувствительностью: например, детектор CDEX представляет собой твердотельный полупроводниковый датчик в виде 10 кг чистого германия в кристаллическом состоянии.

Другой метод обнаружения темной материи — с помощью детекторов жидкого ксенона — основан на предположении, что «скрытое» вещество должно свободно проходить сквозь земную кору и достигать детектора, тогда как большая часть космических лучей будет отсекаться. Так, в эксперименте 2024 года LUX-ZEPLIN задействовали двухфазный эмиссионный детектор, заполненный семью тоннами жидкого ксенона. Чтобы уменьшить радиационный фон, детектор разместили в шахте исследовательского центра Сэнфорда на глубине 1,5 км и окружили многослойной защитой из жидкого сцинтиллятора и воды. А в эксперименте CDMS (Cryogenic Dark Matter Search), связанном с криогенными кристаллами, применялась система из 30 полупроводниковых охлажденных детекторов на глубине 747 м. Детекторы замеряли ионизацию и фононы, возникающие при каждом взаимодействии частиц в кристаллических подложках из германия и кремния. Эти измерения определяют энергию, осаждаемую в кристалле, — и должны давать информацию, какая частица вызвала событие.

Ищут темную материю и в вечной мерзлоте — в обсерватории IceCube вблизи Южного полюса. Кубический километр льда, служащий естественным щитом от фонового излучения Земли, там оснастили тысячами светочувствительных детекторов. Ученые предполагают, что частицы темной материи могут скапливаться в гравитационных «ловушках», таких как ядро Земли. Это должно привести к избыточному потоку нейтрино определенного типа и энергии. Однако анализ полученных за десятилетие данных в IceCube так и не выявил статистически значимого избытка нейтрино, который можно было бы однозначно связать с темной материей.

«Несмотря на усилия сотен настойчивых ученых, петабайты данных и тысячи сложнейших публикаций, мы все еще не знаем, из чего состоит 80% материальной Вселенной. Мы ощущаем взмах уха и остроту бивня. Мы слышим топот ног и фыркающий звук хобота. Мы также ощущаем массивное тело. Но мы не имеем ни малейшего представления о самом слоне».

Впрочем, есть ученые, которые в существовании темной материи сомневаются. Например, приверженцы гипотезы MOND (Modified Newtonian dynamics, модифицированной ньютоновской динамики) — это своего рода альтернативная теория гравитации, объясняющая вращение галактик без привлечения темной материи.

Также есть мнение, что в ходе эволюции Вселенной были и такие стадии, когда над темной энергией доминировали пыль или даже свет. Согласно этой гипотезе, на одной из ранних стадий развития Вселенной лидирующий вклад в плотность энергии давало излучение и лишь потом начала доминировала плотность темной энергии.

Словом, за долгие годы поисков ученые придумали множество версий. Однако как ни переставляй слагаемые «хобот + бивень + ухо», слоновья телесная конституция по-прежнему остается непроясненной. Все потому, что никто этого слона никогда не видел. Но говорят, что он все же есть.