На гравитационные линзы возлагаются большие надежды. Несмотря на все свое оптическое несовершенство даже в сравнении с линзами обычных очков они позволяют «увидеть» невидимое – вещество, не излучающее ни в одном из оптических диапазонов. Но оно, к счастью для нас, отклоняет лучи света, приходящие от более удаленных объектов, расщепляя и искажая их изображения.
Современные ученые наблюдают взаимодействующие или, правильнее будет сказать, сталкивающиеся скопления галактик. Потом находятся гидродинамические аналогии, описывающие столкновения конечных объемов жидкости или газа. Это могут быть брызги, возникающие при падении капель в чашку с водой, разбегание кругов по поверхности воды. В космосе происходит что-то похожее. Результат (естественно, после соответствующей обработки изображений) можно увидеть воочию.
Кольцевую форму называют «кольцом Эйнштейна». Механизм формирования такой же, как и у колец на поверхности воды: взаимодействие двух массивов частиц. Однако его природа совсем иная: его частицы – это частицы темной материи.
Участники проекта Обзора Эволюции Космоса 2006 года регистрировали не отдельные события, когда одни объекты проходили перед другими, а постоянные «отношения» между ними, которые, с точки зрения целей наблюдателей, можно было считать стационарными относительно друг друга, – речь шла о галактиках и скоплениях галактик. Свет от объекта на переднем плане говорил астрономам, сколько там кажущейся массы. А эффект гравитационного линзирования объекта на заднем плане показывал, сколько реальной массы на переднем плане. Разница между двумя показателями – и есть темная материя.
Карта, составленная участниками проекта, была трехмерной: она показывала и глубину. Это как если сравнивать карту, показывающую дороги, с картой, на которой построены горы и равнины, которые эти дороги пересекают. А поскольку смотреть дальше в космос означает смотреть в более далекое прошлое, карта участников проекта также показала и «как горы с долинами» оказались там где оказались – то есть как эволюционировала темная материя. Члены команды стали называть свой подход «космопалеонтологией». Получилось, что темная материя вначале коллапсировала, то есть схлопнулась, а потом те центры, в которых произошло схлопывание, выросли в галактики и скопления галактик. Этот образ опять получился соответствующим версии холодной темной материи.
Пожалуй, самое известное непрямое доказательство существования темной материи было получено тоже в 2006 году Дугласом Клоуи, который тогда работал в университете Аризоны и занимался так называемым «скоплением Пули». Весь мир облетела фотография столкновения двух скоплений галактик, которые вместе и получили название «скопление Пули».
Это словосочетание стало синонимом темной материи. Скопление находится на расстоянии 3,4 млрд световых лет от Земли. Кроме вещества видимых галактик на фотографии видны два облака газа, ярко излучающих в рентгеновских лучах. Как известно, темная материя не видна при прямых наблюдениях, карты ее распределения были составлены на основе регистрации далеких галактик с использованием гравитационного линзирования. Клоуи наблюдал столкновение рентгеновских лучей и использовал гравитационное линзирование, а потом отделил видимый газ от невидимой массы. Наблюдаемый в рентгеновских лучах газ от обоих скоплений собирался в центре столкновения, где атомы вели себя так, как обычно ведут атомы – привлекали друг друга. Тем временем темная материя, как казалось, собиралась по обеим сторонам от точки столкновения. Если провести земную аналогию, можно сказать, что произошло крушение поездов после столкновения, а несколько вагонов с темной материей из обоих поездов неслись, подобно призракам, прямо сквозь то, что осталось.
Распространению фотографии помогло НАСА, которое для наглядности ее раскрасило: видимый газ красным цветом, а темную материю голубым. Одно облако газа похоже на изображение ударной волны от летящей пули, которое знакомо многим по учебникам. Облако изменило свою форму во время столкновения двух скоплений галактик. В результате этого столкновения образовалось бóльшее скопление, получившее название скопление Пули (эту знаменитую фотографию вы видите на обложке настоящей книги).
Имеющаяся в скоплении темная материя взаимодействовала с обычной материей только посредством гравитационных сил. Явное разделение темной материи указывает на то, что темная материя действительно существует. В газетах, где печаталась фотография, заголовки гласили: «НАСА находит прямое доказательства существования темной материи». С этим не согласился Дуглас Клоуи, который заявил, что «прямым» доказательством будет «поимка частицы». А разве такое возможно? Ее нельзя поместить в бутылку и привезти вашей тетушке в Миссури.
Частицы-претенденты
Какие же частицы претендуют на роль темной материи? Я уже упоминал некоторые из них выше. Теоретики придумали множество версий частиц темной материи, а экспериментаторы сконструировали и опробовали различные детекторы, предназначенные для их регистрации. Например, поиск бозона Хиггса занял в общей сложности 23 года (1989–2012) и проводился он на трех коллайдерах: Большом электрон-позитронном коллайдере, Тэватроне и Большом адронном коллайдере. Темную материю с 1990 года ищут на десятке установок, но пока безуспешно.
Теперь давайте рассмотрим эти частицы более подробно. В первую очередь это аксион – гипотетическая нейтральная элементарная частица, которую в 1977 году предложили американский физик итальянского происхождения Роберто Печчеи, работающий в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, и австралийка, работающая в Гарвардском университете, Хелен Куинн. Роберто Печчеи и Хелен Куинн пытались разрешить проблему теории сильных ядерных взаимодействий – квантовой хромодинамики. В ее основное уравнение не заложено сохранение CP-симметрии, которая осуществляет зеркальное отражение и меняет частицы на античастицы. Нарушение симметрии должно приводить к появлению у нейтрона дипольного электрического момента, а этого в экспериментах не наблюдается. Печчеи и Куинн предложили красивую модель, снимающую это противоречие. Из нее вытекает существование легких стабильных частиц, которые не несут электрических зарядов, но в сильных магнитных полях индуцируют возникновение фотонов. Это и есть аксионы. Позднее космологи показали, что аксионы могут быть вполне приемлемыми кандидатами в частицы темной материи.
Роберто Печчеи, американский физик (род. в 1942)
Хелен Куинн, австралийский физик (род. в 1943)
Правда, название аксион придумали не Печчеи с Квинн, а другой физик, американец Фрэнк Вильчек, лауреат Нобелевской премии по физике 2004 года. Axion – это марка стирального порошка, и частица по задумке должна была «очистить» квантовую хромодинамику от проблемы сильного CP-нарушения. То есть физики обнаружили нарушение определенной симметрии в природе, при котором законы физики переставали работать, если частицу и античастицу поменять местами. Поэтому и была предложена частица с определенными свойствами, которая эту проблему решит.
Аксион должен распадаться на два фотона, а его масса зависит от величины вакуумного ожидания полей Хиггса. Аксион должен составлять одну триллионную массы электрона. То есть если аксионы существуют, они будут в триллион раз легче электрона (согласно теоретическим оценкам, их массы измеряются всего лишь миллионными долями электронвольта), и шанс на их взаимодействие или соединение с барионной материей ничтожно мал. Но это на сегодняшний день кандидат номер один на небарионную составляющую скрытой массы (или темной материи) в космологии. Великое множество таких частиц могло родиться вскоре после Большого взрыва и обеспечить недостающую массу.
Брукхейвенская национальная лаборатория. В ней постоянно работает более 3000 ученых. Открытия, совершенные в лаборатории, были награждены семью Нобелевскими премиями
Эксперименты по обнаружению аксиона проводятся с 1990-х годов, а в ЦЕРН – Европейском центре ядерных исследований – начиная с 2003 года. ЦЕРН – крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий, и ее основная цель – эксперименты в области физики частиц.
Также в Ливерморской национальной лаборатории в Калифорнии проводится эксперимент под названием ADMX (сокращение от Axion Dark Mater Experiment – эксперимент по поиску аксиона и темной материи). Участники этого эксперимента основываются на предположении, что аксионы образуют невидимое гало Млечного Пути. Они используют сильное магнитное поле для конверсии аксионов в радиочастотные фотоны. Процесс усиливается с помощью резонансной полости, настраиваемой на частоты в диапазоне от 460 до 810 МГц, в соответствии с предсказываемой массой аксиона.
В 2007 году в немецкой ускорительной лаборатории DESY стартовал эксперимент «Поиск любой легкой частицы» (Any Light Particle Search, ALPS-I), завершенный в 2010 году. В настоящее время в DESY готовится гораздо более эффективный эксперимент ALPS-II, который, возможно, позволит обнаружить свидетельства существования слабовзаимодействующих легких частиц.
Но пока аксионы не удалось обнаружить. Считается, что рождение аксионов внутри звезды привело бы к ее ускоренному охлаждению. Также высказывались предположения, что один из возможных механизмов нагрева нашего Солнца – это излучение Солнцем аксионов или аксионоподобных частиц, которые превращаются в фотоны в областях с сильным магнитным полем. А аксионы, летящие от Солнца, в магнитном поле Земли могут превращаться в фотоны с энергией рентгеновского диапазона.
Однако ряд ученых пришел к выводу, что под влиянием сильного магнитного поля аксион может дезинтегрировать в фотон, а вот это способен определить детектор. В 1989 году в Брукхейвенской национальной лаборатории в Аптоне, штат Нью-Йорк, одной из 16 национальных лабораторий Министерства энергетики США, принялись за создание такого детектора. Фактически было построено два. Какое-то время один из них – медный цилиндр высотой до пояса среднего человека – выставлялся среди других аппаратов, которые показывают посетителям лаборатории. Но они не смогли обнаружить аксион. Правда, стоимость эксперимента составила от 1 до 2 % почти 60 млн фунтов стерлингов, которые ежегодно тратятся по всему миру на две-три дюжины экспериментов по поиску вимпов. Такие эксперименты идут постоянно.