В погоне за невидимкой
Представьте: все, что вы когда-либо видели — все звезды в ночном небе, все галактики, все планеты и каждый живой организм — всего 15% от всей материи во Вселенной. Остальные 85% — загадочная субстанция, которая не испускает, не поглощает и не отражает свет.
Мы не можем ее увидеть ни в один телескоп, но мы точно знаем, что она есть. Она дирижирует движением галактик, искривляет путь света и определяет крупномасштабную структуру мироздания. Ее называют тёмной материей. Так из чего же она состоит и как ученые пытаются поймать то, что нельзя увидеть?
Вселенная, которую мы не видим: от гипотезы к уверенности
Еще в 1930‑х годах швейцарский астроном Фриц Цвикки изучал скопление галактик в созвездии Волосы Вероники. Он производил расчеты и заметил нечто шокирующее: галактики двигались так быстро, что должны были бы давно разлететься в разные стороны, если бы их не удерживала гравитация какой‑то невидимой, скрытой массы, которая многократно превосходила массу всех видимых звезд. Он назвал эту недостающую массу «темной материей», но его идею игнорировали из‑за отсутствия точных данных.
Окончательные, неопровержимые доказательства появились полвека спустя, благодаря кропотливой работе американской ученой Веры Рубин и ее коллеги Кента Форда. Они составляли детальные карты скоростей вращения звезд в спиральных галактиках. По законам Кеплера и Ньютона, звезды на окраинах галактики, где видимая масса заканчивается, должны двигаться тем медленнее, чем дальше они от центра.
Но данные Рубин показали обратное: кривые вращения оставались плоскими — то есть скорости звезд не падали, а оставались высокими независимо от расстояния до центра галактики. Единственное правдоподобное объяснение этому: каждая галактика погружена в гигантский, невидимый сферический «кокон» или «гало» из материи, чья гравитация и раскручивает звезды на периферии. Позже наблюдения за гравитационным линзированием и реликтовым излучением (от миссии Planck) окончательно подтвердили: темная материя реальна, и ее в пять‑шесть раз больше, чем обычной.
Так охота на невидимку началась всерьез.
Главные подозреваемые: галерея гипотетических частиц
Если темная материя — не просто холодный газ, темные карликовые звезды или планеты‑сироты (а наблюдения исключают их в достаточном количестве), значит, она состоит из неизвестных науке элементарных частиц, не входящих в Стандартную модель. У физиков есть несколько главных «подозреваемых», каждый со своей мотивацией и «признаками».
Вимпы (WIMPs) — самые популярные и долгоживущие кандидаты. Аббревиатура расшифровывается как Weakly Interacting Massive Particles — слабовзаимодействующие массивные частицы. Представьте себе частицы с массой от десятков до тысяч масс протона, но при этом взаимодействующие с обычным веществом лишь через гравитацию и, возможно, слабое ядерное взаимодействие (отсюда и название). Они пронизывают нас и всю планету миллиардами каждую секунду, не оставляя почти никакого следа. Их теоретическая привлекательность в том, что они элегантно вписываются в теорию суперсимметрии — расширение Стандартной модели, которое предсказывает для каждой известной частицы более тяжелого «суперпартнера». Самый легкий из них (нейтралино) и является идеальным кандидатом в вимпы. Расчетная плотность таких частиц во Вселенной, оставшихся после Большого взрыва, удивительно точно совпадает с наблюдаемой плотностью темной материи. Это совпадение так красиво, что физики называют его «WIMP‑чудом».
Аксионы — их главные конкуренты, набирающие популярность по мере того, как вимпы ускользают от обнаружения. В отличие от массивных вимпов, аксионы — легковесы, в миллиарды раз легче электрона. Но зато их могло бы образоваться невообразимо много. Изначально их предсказали для решения другой сложной задачи в квантовой хромодинамике — сильной CP‑проблемы (загадочной симметрии в поведении сильного ядерного взаимодействия). Оказалось, что гипотетическая частица, решающая эту проблему, обладает всеми свойствами идеальной темной материи: она нейтральна, стабильна, слабо взаимодействует и в изобилии должна была рождаться в ранней Вселенной. Это изящные, почти невесомые «призраки», чье обнаружение требует совершенно иных подходов.
Есть и более экзотические гипотезы. Стерильные нейтрино — «тяжелые» и крайне инертные родственники обычных нейтрино, которые могли бы составлять темную материю. Первичные черные дыры микроскопических размеров, образовавшиеся не из звезд, а в первые доли секунды после Большого взрыва из‑за флуктуаций плотности. Или даже целые «скрытые сектора» — целые семейства частиц, живущие своей жизнью параллельно с нашим миром и взаимодействующие с ним лишь через гравитацию.