5.
Хупер был разочарован, но не подавлен. Изучая странные сигналы от галактической плоскости, он искал темную материю везде, возлагая большую часть своих надежд на сердце нашей Галактики – галактический центр.
Некоторое время назад – в 2003 году – молодой постдок из Принстона Дуг Финкбайнер просматривал данные с космического спутника WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, “зонд микроволновой анизотропии имени Уилкинсона”). Как и Хупер, он был захвачен идеей поиска темной материи и надеялся наткнуться на ее следы в данных WMAP. Он прекрасно знал, что вимпы, если они существуют, должны время от времени аннигилировать и что процесс аннигиляции должен сопровождаться всплесками гамма-излучения, микроволнового излучения и каскадами других частиц высоких энергий. Вблизи центра Галактики он обнаружил странный избыток микроволнового излучения, явно отличного от реликтового космического микроволнового фонового излучения, поскольку, казалось, шло оно откуда-то изнутри нашей Галактики, то есть скорее от “авансцены”, а не от “арьерсцены”, как реликтовое. Статья Финкбайнера о необычной микроволновой “дымке WMAP” и особенно предположение, что виновниками ее появления могли быть вимпы, привлекли внимание Хупера.
Картина стала еще запутаннее в 2008 году, когда космический гамма-телескоп Fermi, запущенный в космос НАСА, передал первую партию данных. Финкбайнер, ныне профессор, и два его аспиранта, Трейси Слейтер и Мэн Су, обнаружили, что “микроволновая дымка” идеально гармонировала с “дымкой гамма-излучения” вокруг центра Млечного Пути. Но откуда эта дымка взялась, представлялось большой загадкой. В отличие от радиотелескопов, которые нацелены на конкретную область неба и регистрируют сигнал от точечного источника, такого как звезда или пульсар, у космического телескопа Fermi гораздо более широкое поле зрения. Он видит примерно пятую часть всего неба в каждый момент времени и, постепенно продвигаясь, осматривает все небо за три часа. Тем не менее получаемая им картинка нечеткая – телескоп имеет угловое разрешение всего лишь о,1–1 градус для большей части значений энергии, поэтому он размазывает звезды до размера Луны, а то и больше. Таким образом, несмотря на то что Fermi мог определить направление, с которого прилетели фотоны, он не мог определить, где именно возникает дымка, позже названная “дымкой Ферми”. Все ученые были уверены в том, что это происходило в окрестности галактического центра.
Вскоре после этого, в 2009 году, Слейтер, Су и Финкбайнер заметили, что дымка имеет некий контур. Это открытие было удивительным и неожиданным. Вместо того чтобы увидеть одну каплю с нечеткими краями, они внезапно увидели два гигантских фантастических пузыря, по форме напоминающих песочные часы, общим размером около пятидесяти тысяч световых лет, с центром в галактическом центре и ярче всего светящихся в гамма-диапазоне. “Дымка Ферми” превратилась в “пузыри Ферми”, и газеты разных стран мира поместили на своих первых полосах потрясающее изображение огромной космической восьмерки. В 2014 году Слейтер, Су и Финкбайнер за свое открытие получили премию Бруно Росси, присуждаемую отделением астрофизики высоких энергий Американского астрономического общества6.
Для Хупера пузыри были явным, хотя и разочаровавшим его, свидетельством того, что ни микроволновое излучение, зарегистрированное детектором WMAP, ни гамма-лучи, обнаруженные телескопом Fermi, не могли быть признаками темной материи. “Аннигиляция темной материи не должна приводить к образованию таких пузырей”, – говорит он. Область свечения должна быть размытой и не должна иметь отчетливых границ.
До сих пор неясно, что надуло пузыри Ферми, и некоторые ученые полагают, что они могли возникнуть из-за того, что наша сверхмассивная черная дыра когда-то давно взорвалась (хотя сейчас Стрелец А* и ведет себя совершенно спокойно, в отличие от активных ядер других галактик, от которых регистрируется излучение). Альтернативная гипотеза состоит в том, что пузыри могли возникнуть, если многочисленные гигантские звезды, образованные из газа, окружающего черную дыру, почти одновременно взорвались как сверхновые.
Но Хупер был настойчив. Как только он узнал, что дымка не может быть темной материей, он вместе с аспиранткой Нью-Йоркского университета Лизой Гуденаф решил еще раз внимательно проанализировать данные, полученные с помощью телескопа Fermi. И в этих данных они нашли скрытый клад. Вблизи галактического центра гамма-излучение было гораздо более интенсивным, чем предполагалось в теории. Его интенсивность превышала интенсивность всех известных астрофизических источников, вместе взятых, – и сверхмассивной черной дыры, и протонов космических лучей, сталкивающихся с молекулами газа, и электронов космических лучей, взаимодействующих с фотонами и молекулами газа, а также остатков сверхновых и пузырей Ферми. Избыток гамма-излучения составлял примерно 10 %. Кроме того, спектр наблюдаемого излучения и его распределение не соответствовали тем характеристикам, которые присущи чисто астрофизическим источникам. Хупер был ошеломлен. Неужели он обнаружил наконец доказательства существования темной материи?
Похоже, избыточное излучение имело максимум при энергиях от одного до трех миллиардов электронвольт (1–3 ГэВ), а это означало, что оно обладало примерно в миллиард раз большей энергией, чем видимый свет. Оно было самым ярким в центре Галактики, и его яркость уменьшалась при удалении от центра по любому направлению. Это говорило о почти сферической форме его источника, растянувшегося по крайней мере на пять тысяч световых лет от центра Галактики. Хупер предположил, что избыток возник из-за аннигиляции вимпов, и вместе с Гуденаф он написал статью и поместил ее на сервере препринтов arXiv.org (популярная онлайн-платформа, разработанная Корнеллским университетом, которая упрощает обмен научными статьями, давая возможность выложить их для свободного доступа еще до того, как они появятся в рецензируемых журналах7).
Но, похоже, никто не обратил на эту публикацию внимания.
Хупер попытался привлечь внимание к своим результатам. В том же году он выступил с докладом на конференции и рассказал о расчетах, сделанных его командой. Он вспоминает, с каким воодушевлением говорил о том, что, возможно, наконец-то в центре Галактики они нашли следы темной материи. Но публика хранила зловещее молчание. После доклада один участник подошел к Хуперу и обозвал его непрофессионалом, который просто не знает, как правильно интерпретировать результаты, полученные телескопом Fermi. Аналогичная негативная реакция ждала его и на других конференциях, особенно со стороны членов сообщества Fermi — главных пользователей данных, полученных телескопом. Для них Хупер был чужаком, трактующим результаты, которые они – члены команды Fermi — обнародовали. “Они разговаривали со мной очень высокомерно”, – вздыхает он.
Спустя несколько месяцев, когда обнародовали еще одну порцию данных, полученных телескопом Fermi, Хупер и Гуденаф убедились, что необъяснимый источник излучения по-прежнему на месте. “В наш адрес было много критики, и мы попытались улучшить анализ данных, в том числе использовали более сложную программу внесения поправок, связанных с работой приборов, увеличили точность обработки точечных источников и фона в этом сегменте неба. И после этой обработки мы увидели тот же самый сигнал – он никуда не исчез”, – говорит Хупер. Они опубликовали вторую статью в 2010 году. Но и на этот раз лишь немногие обратили на нее внимание.
Однако для Хупера эта статья стала поворотным моментом, потому что теперь он уверился: сигнал не был фантомным. Он не был убежден, что его источником является аннигиляция темной материи, но в том, что сигнал реальный, он не сомневался. В сентябре 2010 года к Хуперу приехал молодой аспирант из Калифорнийского университета в Санта-Крузе Тим Линден, который присутствовал на одном из первых выступлений Хупера. Теперь Линден работает в Университете штата Огайо и в разговорах со мной вспоминает враждебность, с которой столкнулся Хупер: “Сказать, что сообщество Fermi не воспринимало Дэна всерьез, – значит ничего не сказать. Были люди, которые годами очень пренебрежительно относились к его методу анализа. А я всегда считал его анализ правильным”. Возможно ли, что существовал какой-то другой источник, который мог бы объяснить гамма-лучи? “Да, я думаю, что это всегда возможно. Это и сейчас возможно”, – говорит Линден. Но его заинтриговала гипотеза Хупера, и он был убежден, что тот уловил нечто важное.
В октябре 2011 года Линден и Хупер опубликовали статью, в которой описали, как они получили ту же величину избыточного гамма-излучения, используя уже другую методику его измерения, и составили карту неба в гамма-диапазоне. Другие группы ученых в конце концов тоже обратились к этой проблеме и тоже нашли избыточную интенсивность гамма-излучения. Тем не менее переубедить участников сообщества Fermi по-прежнему было трудно, да и многие другие астрофизики полагали, что избыток излучения нельзя считать настоящим. И Хупер понял, что пора написать решающую статью об этом избытке излучения – и либо доказать свою правоту, либо похоронить идею.
В результате в 2012 году Хупер решил обратиться к некоторым своим коллегам, занимавшимся анализом гамма-излучения, включая Финкбайнера и Слейтер. Слейтер тогда была постдоком в Институте перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, и все еще изучала происхождение пузырей. Однажды летним днем того же года они столкнулись с Хупером на конференции в Аспене, штат Колорадо, и начали говорить о том, что происходит с пузырями ближе к галактическому центру. К тому времени мало кто думал, что пузыри могут быть проявлением темной материи, но утверждения о сходстве между излучением пузырей в микроволновом и гамма-диапазоне основывались на сравнении гамма-излучения далеко от галактической плоскости с микроволновым излучением, исходящим из окрестности центра Галактики. Поскольку сравнение проводилось между несравнимыми величинами, Хупер в беседе со Слейтер предположил, что внутренняя часть пузырей все-таки могла бы быть связана с темной материей. “Мы обсуждали, могла ли ближайшая к галактическому центру часть пузырей быть «запачкана» избытком гамма-излучения от галактического центра, избытком, который, как я утверждал, мог быть обусловлен темной материей”, – говорит Хупер.