Темная лошадка космоса

«Вот проверю почту и точно буду учить,— отодвигая учебник астрономии, пообещал себе Иннокентий Петрович.— Что тут у нас?» Молодой человек пролистывал одно за другим письма с уведомлениями, новыми вакансиями и акциями, как вдруг наткнулся на послание с интригующей темой: «Простому смертному — из космоса». Парень открыл таинственное письмо. «Только бы вирус не поймать»,— промелькнула здравая мысль, но было уже поздно...

«Ну здравствуй, Кеша! Никогда не думала, что мне придется говорить с человеком — одной жалкой букашкой из миллиардов, населяющих Землю. Вряд ли ты когда-нибудь узнаешь мое настоящее имя, но у вас принято называть меня по-разному: темным веществом, скрытой массой, темной материей. Последний вариант мне определенно нравится. Подумать только, темная материя! Говоря обо мне, ваши исследователи подразумевают условное состояние, в котором вещество взаимодействует гравитационно, но не взаимодействует электромагнитно. Причем природа этого вещества неизвестна для вас: оно может быть как сродни по свойствам вашему, так и чем-то совершенно уникальным. А темная я, вероятно, потому, что не излучаю и не поглощаю свет, но при этом притягиваю видимое вещество, которое всего лишь отражение моего распределения».

«Темная материя… Кажется, что-то знакомое», — Кеша мысленно пробежался по списку вопросов, остановился на третьем десятке и вернулся к чтению письма.

«Кстати, попрошу не путать меня с так называемой темной энергией, которая исследована еще меньше и представляется вам то ли силой, действующей на Вселенную и заставляющей ее расширяться, то ли свойством вашего вакуума, то ли разрушающим Вселенную полем.

На сегодняшний день космическая миссия Planck присудила мне около 26 % всей массы-энергии во Вселенной, 69 % по праву принадлежит темной энергии, и только 5 % — барионному веществу, то есть видимым космическим объектам вроде звезд и газа. Я барышня непостоянная: в некоторых участках Вселенной меня больше, чем барионного вещества, в шестнадцать раз, а в вашем Млечном Пути всего в два.

Эх, а я помню времена, когда вклад темной энергии был нулевой. По природе реликтового излучения, то есть того, которое существовало, когда Вселенная была заполнена однородным газом, ваши ученые подсчитали, что чуть позже Большого взрыва (по моим масштабам, конечно) обычного вещества могло быть не больше 25 %, а все остальное должно было приходиться на мою долю. В этом ваши ученые видят доказательство моего существования. Осталось только подтвердить гипотезу.

Вообще, еще в 1933 году, когда вы, людишки, только начали осознавать, что во Вселенной, мягко говоря, не одна галактика, астрофизик Фриц Цвикки исследовал скопление галактик Волосы Вероники. Он заметил, что оно полностью сформировано, имеет правильное распределение по скоростям, но вместе с этим — явный недостаток массы. Цвикки предположил, что всему виной некая скрытая масса. Однако ученое сообщество не приняло его гипотезу, ссылаясь на ошибку в расчетах астрофизика. Глупцы! О Цвикки вспомнили лишь в конце 70-х. Группа астрофизиков, зная скорость обращения конкретной звезды или газового скопления вокруг центра галактики и расстояние до него, рассчитывала массу внутри этого радиуса. Ученые заметили, что существует четкое распределение (поясню, речь идет о звездной плотности): конкретное количество звезд, находящихся в единице объема пространства галактики, соответствует конкретному радиусу. При этом цифра уменьшалась с отдалением от центра, а звезды заменялись на клочки газа. Был сделан вывод, что скорость звезд растет с удалением от центра, а так как эта величина связана с массой галактики, она тоже будет расти, хотя, на первый взгляд, в галактике уже ничего нет. Здесь предположение Цвикки пришлось как раз к месту, и спорить с ним больше никто не стал.

Мне не может не льстить тот факт, что вы таки поверили в меня и даже почти доказали мое существование. Но сейчас вы пытаетесь продвинуться дальше: узнать, что я такое и из чего состою. Для меня как… эээ… для темной лошадки это уже слишком. Например, в начале 80-х ученые наивно полагали, что во мне обычные нейтрино. Как можно было так заблуждаться?! Но, слава Большому взрыву, последующие исследования позволили уточнить верхний предел массы нейтрино: оказалось, ее просто не хватит, чтобы объяснить всю скрытую массу, то есть меня.

Исключив, таким образом, все имеющиеся в ваших книжках варианты того, из чего я могу состоять, вы решили, что моя основа — какие-то неизвестные науке элементарные частицы. Одна из таких — WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Это гипотетическая массивная частица, способная вступать в слабое взаимодействие. В начале 2010-х «вимповая» версия была самой популярной, и мне она вполне нравилась. А что, звучное название! Однако безрезультатные поиски вимпа привели к значительному уменьшению дельт параметров, в которых он может находиться, не противореча полученным ранее данным экспериментов. Оставшиеся неизученные области, скажу по секрету, весьма доступны для вас, так что вы либо найдете этот бедный вимп в ближайшем будущем, либо, к моему счастью, исследования придется прекратить за бессмысленностью дальнейших поисков.

КОСМИЧЕСКАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ

Реликтовое излучение
Меньше чем через секунду после Большого взрыва стали образовываться первые частицы — атомы водорода. Под действием высокой температуры (около 4 000 K) они испускали фотоны, которые распространялись по всей Вселенной. Свет из дальних ее уголков дошел до нас только спустя почти 13,8 млрд лет, пройдя при этом расстояние в 100 млрд световых лет. Эти радиоволны (точнее — микроволновое фоновое излучение), открытые во второй половине ХХ века, и называются реликтовым излучением.

Слабое взаимодействие
Эта мощная сила действует в масштабах атомного ядра и отвечает за выделение энергии в звездах и радиоактивный распад. Она значительно слабее сильного и электромагнитного воздействий, чем и объясняется название.

Эволюция звезд по-другому называется их жизненным циклом: от рождения путем формирования из молекулярного облака до завершения существования одним из нескольких способов. Он зависит от массы звезды — так, например, самые тяжелые перерождаются в черные дыры.

Аннигиляция — реакция превращения частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных.

Теплая темная материя состоит из частиц, которые в раннем периоде эволюции Вселенной были релятивистскими, то есть двигались со скоростями, сравнимыми со скоростью света, только в момент выхода из термодинамического равновесия. Предположительно масса частицы теплой темной материи в 100 раз меньше массы электрона.

Из-за неудачи с вимпом сегодня ваши ученые мечутся между многочисленными неподтвержденными теориями. Кто-то переключился на черные дыры: большие, которые образуются при эволюции звезд, отмели сразу, ведь они состоят из видимого вещества. А вот маленькие, или первичные черные дыры, могли выжить с начала существования Вселенной и впоследствии поглотить порядочно видимой материи. Другие предлагают на мою роль MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects), к таковым отнесли коричневых карликов, нейтронные звезды и планеты-сироты. Но тут могу вас уверить, что их недостаточно для моего существования. В противном случае ваши астрономы наблюдали бы великое множество явлений микролинзирования — эффекта, при котором MACHO работает как гравитационная линза, как бы подсвечивая и без того более яркие, чем он, наблюдаемые объекты. Однако такого не происходит. Хотя оставлю вам поле для раздумий, сказав, что я могу состоять из комплекса разных форм.

Что меня в вас поражает, так это то, что вы очень целеустремленны. Что я такое — до конца не поняли, из чего — не выяснили, но найти все-таки пытаетесь. Один из способов — наблюдение аннигиляции. То есть вы ждете, пока мои частицы не столкнутся и не превратятся в нормальные, по-вашему, частицы, и фиксируете их. Только кто же вам сказал, что мои частицы больные или сумасшедшие? Мне с ними живется очень комфортно. Ну да ладно. К слову, сигналы вы получаете, но доказать, что это именно мое излучение, а не сторонних источников, все еще не можете.

Другой способ меня обнаружить — поиск на ускорителе. На эту тему у вас есть теоретические разработки, где фигурируют не только мои частицы, но и другие — такие же секретные, но заряженные. В идеале вам нужно получить последние на Большом адронном коллайдере и предсказать мое существование. Но пока в этих прятках веду я.

И наконец, вы пробовали пронаблюдать, как из меня формируются новые структуры. Только вот компьютерное моделирование показало, что в центрах галактик моя плотность должна быть очень большой и резко возрастать. А наблюдения этому противоречат. Отсюда вы сделали выводы, что темная материя должна быть теплой. Если эта теория подтвердится, вы сможете отсечь многие модели и сузить круг поисков все-таки удастся».

Тут текст оборвался. Кеша крутанул колесико, и внизу экрана появилось послание: «Уважаемый Иннокентий Петрович! Вы стали участником уникального эксперимента. Группа педагогов в преддверии сессии решила помочь студентам в подготовке к экзаменам. Мы написали ряд нестандартных материалов с ответами на некоторые вопросы из списка билетов и разослали их в случайном порядке всем нашим студентам. Очень надеемся, что данный формат поспособствует лучшему усвоению пройденного материала. Для дальнейшего развития проекта просим заполнить форму обратной связи. Желаем плодотворной подготовки и успешного закрытия сессии!»

Кешу одолевали противоречивые чувства... Он был, с одной стороны, приятно удивлен инициативой преподавателей, а с другой — немного расстроился. Еще бы, всем нам хочется быть хоть в чем-то особенными, а что круче, чем внимание к твоей персоне со стороны космического собеседника? Пусть даже такого, который называет тебя букашкой.

Благодарим за помощь в подготовке материала Игоря Тирского —
инженера, популяризатора астрономии, автора проектов LifeStyleAstronomy и WhereIsPluto.

Материал опубликован в журнале NewTone