Читать книгу Слон во Вселенной. 100 лет в поисках темной материи - Маркус Чаун, Говерт Шиллинг - Страница 3

В 1995 году астрономы объявили о создании чувствительных спектрографов, позволяющих очень точно измерять скорости звезд. Я подумал, что через несколько лет с помощью этих приборов будут открыты планеты: если спектрограф зафиксирует слабые периодические колебания скорости какой-нибудь звезды, то это может свидетельствовать о наличии вблизи нее массивной планеты, чье притяжение искажает движение светила. Я решил приступить к написанию новой книги о поиске внесолнечных планет в надежде, что в заключительной главе смогу рассказать о решающем открытии.

В октябре того же года Мишель Майор и Дидье Кело объявили об открытии 51 Пегаса b – первой подтвержденной внесолнечной планеты, обращающейся вокруг звезды солнечного типа, и я понял, что надо поторапливаться. На протяжении большей части 1995 года я почти ничем другим не занимался. Моя книга (на нидерландском языке) «Сестра-близнец Земли» (Tweeling aarde) – одна из первых, посвященных начальному этапу открытия внесолнечных планет, – вышла в 1997 году.

Нечто подобное случилось 20 лет спустя. В начале 2015 года я приступил к написанию книги о гравитационных волнах – чрезвычайно слабых колебаниях самой ткани Вселенной, вызванных такими событиями, как слияние черных дыр. Гравитационные волны были предсказаны в общей теории относительности Альберта Эйнштейна несколько десятилетий назад, и с тех самых пор ученые старались их обнаружить. Когда я начал писать книгу, то уже знал, что через несколько месяцев заработают передовые детекторы гравитационных волн – новые модели лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) в США и детектора Virgo в Италии. Стало ясно, что до открытия, скорее всего, осталось не дольше нескольких лет.

И действительно, гравитационные волны были впервые обнаружены в сентябре 2015-го, а объявлено об этом открытии было в феврале следующего года. И снова я отложил в сторону все другие дела, чтобы как можно скорее закончить книгу. «Рябь в пространстве-времени» (Ripples in Spacetime) вышла летом 2017 года.

Так что, когда в начале 2018 года я принялся за новую книгу – о темной материи, то полушутя говорил астрофизикам и специалистам по физике элементарных частиц, у которых расспрашивал о состоянии дел в этой области, что со дня на день ожидаю революционных результатов. Ведь было бы просто замечательно стать первым, кто расскажет о долгожданном решении загадки темной материи и о том, из чего же в действительности состоит эта таинственная субстанция, которая обеспечивает вселенское равновесие.

К сожалению, этого не случилось. Так что вынужден вас огорчить: когда вы дойдете до последней страницы, то так и не узнаете, из чего же состоит большая часть материальной Вселенной. Но не знают этого и ученые. Несмотря на десятилетия размышлений, догадок, поисков, исследований и модельных расчетов темное вещество остается одной из величайших тайн современной науки. И все же, прочтя эту книгу, вы узнаете многое о нашей удивительной Вселенной и о том, как астрономы и физики сумели выведать ее тайны.

Темная материя бросает вызов нашему воображению. Подобно невидимому клею она скрепляет Вселенную и служит ее движущей силой. Без нее галактики и скопления галактик распались бы, а пространство давно бы расширилось в небытие. Темная материя – это самое важное, что есть в нашем мире, но при этом мы узнали про нее лишь несколько десятков лет назад и не имеем ни малейшего понятия о ее истинной природе.

Что ж, благодаря труду сотен преданных делу ученых мы хотя бы поняли, чем она не может быть. Темная материя – это не множество очень тусклых звезд. Это не всепроникающий темный межгалактический газ. Темная материя не состоит из черных дыр – уж точно не из «привычных» их представителей, постепенно осваиваемых астрономами. Более того, темная материя не состоит из обычных атомов и молекул. Это нечто странное и совершенно экзотическое.

И именно темная материя сформировала Вселенную, в которой мы живем. Она стала «каркасом», обеспечившим рост крупномасштабной структуры Вселенной. Благодаря ей стало возможным образование скоплений галактик, самих галактик, звезд, планет и, в конечном счете, появление людей. Но несмотря на существование множества связанных с нею научных дисциплин и вовлеченных в ее изучение исследователей, проблема эта, похоже, далека от решения. Выдвигались разные гипотезы и предположения, приводились косвенные свидетельства, и ученые зачастую принимали желаемое за действительное. Но до сих пор нет ни единого убедительного наблюдения и даже намека на истинную природу темной материи.

История поисков темной материи берет свое начало в 30-х годах XX века, хотя острота проблемы была осознана 50 лет назад, когда тревогу астрономов начали вызывать большие скорости вращения внешних областей спиральных галактик вроде нашей собственной. Вскоре проблемой занялись еще и специалисты по физике элементарных частиц, и стало ясно, что ее решение невозможно без привлечения совершенно новой формы материи. Из-за ее ключевой роли в эволюции Вселенной эта новая темная материя стала играть важнейшую роль в космологии – изучении свойств Вселенной на самых больших масштабах. Изучение темной материи находится на стыке нескольких областей науки, в него на протяжении многих десятилетий оказались вовлечены наблюдатели, теоретики, экспериментаторы и специалисты по компьютерному моделированию.

Этой проблемой на протяжении длительного времени занималось великое множество людей, и поэтому в такой книге невозможно отдать всем им должное. В конце концов, книга «Слон во Вселенной» – это не трактат для специалистов, и она не претендует на исчерпывающее изложение истории предмета. Это, скорее, общий взгляд на изучение темной материи во всем потрясающем разнообразии подходов. Личные истории многих ключевых фигур дают некоторое представление об изобретательности, настойчивости и порой даже упрямстве ученых, посвятивших свою профессиональную деятельность поиску решения величайших загадок природы. Я проведу вас, читатель, по далеким астрономическим обсерваториям и подземным лабораториям. Мы побываем на научных конференциях и побеседуем с нобелевскими лауреатами и с постдоками [2], только что защитившими диссертацию исследователями. К сожалению, из-за пандемии ковида не все поездки удалось осуществить, а многие интервью пришлось делать по телефону или в Zoom.

Нам предстоит охватить широкий круг вопросов, связанных с проблемой темной материи. Хотя бо́льшую часть из 25 глав можно читать совершенно независимо друг от друга, я расположил их в таком порядке, чтобы лучше представить масштаб загадки и показать развитие осмысления этой проблемы. Для начала в главе 1 мы познакомимся с Джеймсом Пиблсом – отцом популярной космологической модели с холодной темной материей (cold dark matter, CDM) и лауреатом Нобелевской премии по физике 2019 года, которой он был удостоен за вклад в теоретическую космологию. Затем, в главе 2 мы посетим лабораторию Гран-Сассо в Италии, чтобы получить начальное представление об экспериментальном подходе к решению проблемы темной материи. Ведь темная материя – это не одни лишь компьютерные модели и доклады на конференциях. В этот самый момент десятки ученых во всем мире заняты экспериментальной проверкой теории в надежде решить эту загадку.

После того как я подогрею ваш интерес этим поверхностным знакомством с теорией и экспериментами, в главе 3 мы вернемся на столетие назад, чтобы узнать про первые свидетельства пробелов в нашем понимании материального наполнения Вселенной. Гораздо позднее, в 70-х годах прошлого века, физики поняли, что невозможно обеспечить устойчивость галактик вроде нашей без привлечения огромных более или менее сферических гало из темной материи (глава 4). Первопроходцы – такие как астроном Вера Рубин – начали осознавать, что большие скорости вращения галактик можно объяснить только наличием в них гораздо большего количества вещества, чем реально наблюдается, – этому посвящена глава 5.

Сейчас именем Веры Рубин назван строящийся телескоп. После завершения строительства это будет самый мощный наземный телескоп, которому суждено сыграть главную роль в попытках астрономов создать трехмерную карту распределения галактик в пространстве. Этот проект представляет собой важный этап в изучении темной материи, и ему посвящена глава 6. Далее, в главе 7 мы рассмотрим происхождение химических элементов лишь для того, чтобы убедиться, что темная материя не может состоять из обычных атомов и молекул. Предмет главы 8 – решающая роль радио-астрономии в доказательстве существования темной материи. На этом завершается первая часть книги, посвященная в основном астрономическим исследованиям.

В первых двух главах второй части рассказывается о том, как во второй половине 70-х годов прошлого века астрономы были склонны считать, что таинственная субстанция состоит из относительно медленно движущихся («холодных») элементарных частиц. Эти частицы замечательным образом вписываются в теорию суперсимметрии, а она тянет на кандидата в Общую Теорию Всего, которую физики давно мечтают создать. Таким образом, темная материя стала играть важную роль еще и в физике элементарных частиц.

В главе 11 подробно рассказывается о компьютерных моделях эволюции крупномасштабной структуры Вселенной, которые, как казалось, подтверждали гипотезу, согласно которой темная материя состоит из слабовзаимодействующих массивных элементарных частиц (Weakly Interacting Massive Particles, WIMP). Но как раз во время активного продвижения этой гипотезы некоторые ученые стали высказывать сомнения в реальности существования темной материи. Согласно выдвинутой ими теории модифицированной ньютоновской динамики (Modified Newtonian Dynamics, MOND), которая обсуждается в главе 12, само наше понимание гравитации требует пересмотра – быть может, охотники за темной материей гоняются за химерами.

В главах 13 и 14 рассказывается об эффективном методе поиска – наблюдении так называемого гравитационного линзирования, очень незначительного отклонения лучей света силой тяготения массивных объектов. Наблюдения гравитационного линзирования позволили отвергнуть теорию модифицированной ньютоновской динамики и навели ученых на мысль о другом возможном кандидате в темную материю – так называемых массивных компактных объектах гало (Massive Compact Halo Objects, MACHO). Увы, поиски таких объектов не увенчались успехом, а в конце 90-х годов мы узнали о новой таинственной сущности – темной энергии. Оказалось, что пустое пространство расширяется с ускорением – это прямое следствие наличия в нем темной энергии. Это открытие и его следствия для состава Вселенной обсуждаются в главах 15 и 16.

Темная энергия и теория холодной темной материи были объединены в рамках единой космологической модели – так называемой ΛCDM-теории, где греческая буква лямбда (Λ) означает темную энергию. Убедительные свидетельства в пользу этой модели были получены в результате исследования фонового реликтового излучения (которое иногда называют «эхом Большого взрыва»). Более того, как мы узнаем в главе 17, сравнение распределения яркости реликтового излучения с крупномасштабной структурой Вселенной позволяет получить подробную картину эволюции Вселенной, в которой темной материи отведена безусловно важная роль. Мы до сих пор не знаем, что представляет собой темная материя, но теперь уже ясно, что это один из ключевых ингредиентов космологии.

Третья часть посвящена современным и будущим поискам темной материи, а также некоторым проблемам современной космологии. В главах 18 и 19 рассказывается об экспериментах по непосредственному обнаружению элементарных частиц темной материи с использованием самых современных технологий и сверхчувствительных приборов, которые размещаются глубоко под землей в пещерах и туннелях, чтобы исключить проникновение космических лучей, могущих исказить результаты измерений. Удивительным образом сами космические лучи при этом несут в себе свидетельства распада частиц темной материи – об этом мы расскажем в главе 20.

В главах 21 и 22 рассматривается ряд вызывающих тревогу проблем, которые в последнее время возникли в связи с ΛCDM-моделью. Пока что никто не знает, насколько эти проблемы серьезны, но теоретики уже рассматривают ряд альтернативных идей и гипотез – о некоторых из них говорится в главах 23 и 24. Заключительная глава посвящена будущим исследованиям, но никто не может предсказать, какие конкретно эксперименты и обсерватории смогут дать окончательный ответ на столетнюю загадку темной материи. Давайте просто будем надеяться, что не придется ждать еще целую сотню лет.

Как научный журналист, которого интересует все, что находится за пределами земной атмосферы, я, пожалуй, делал больший упор на астрономию, чем на физику элементарных частиц, хотя и старался сохранить некоторый баланс. Я также уделяю больше внимания прошлым достижениям, устоявшимся идеям и текущим экспериментам, а не новым спекулятивным теориям, неподтвержденным результатам и возможным будущим экспериментам. Если эти новшества выдержат проверку временем, то вы, несомненно, прочтете о них в будущей книге.

Поиски темной материи продолжаются, и хотя они пока еще не дали результатов, но они уже помогли нам лучше понять множество разных астрономических и физических явлений – от быстрого вращения галактик, гравитационного линзирования и крупномасштабной структуры Вселенной до рождения атомных ядер в процессе Большого взрыва и характерных особенностей структуры «эха творения». Эти поиски также послужили толчком к созданию других перспективных теорий, стимулировав появление гипотез о суперсимметрии и пока еще не открытых элементарных частицах. В попытках установить истинную природу большей части содержимого нашей Вселенной ученые смогли раскрыть некоторые из самых сокровенных тайн природы и убедиться в потрясающей сложности мира, частью которого мы являемся.