Замечательно, значит, если темная материя состоит из нейтральных небарионных частиц с массой около 1000 эВ, то новорожденная Вселенная естественным образом разделилась бы на галактики. Проблема была бы решена. За исключением одного важного момента: мы не знаем никаких нейтральных небарионных частиц с массой 1000 эВ. Посмотрите список всех элементарных частиц в Стандартной модели – таких вы там просто не найдете. Так что же, Блументаль, Примак и Пейджелс просто придумали нужную им частицу?
Сандра Фабер (слева), Джордж Блументаль (в центре) и Джоэл Примак (справа) в Ликской обсерватории в 1984 году. На фотографии на стене запечатлена одна из ближайших к нам спиральных галактик M33
И да и нет. Действительно, нет ни малейших наблюдательных свидетельств в пользу существования частиц с такими свойствами. Но Примаку и Пейджелсу было хорошо известно о предложенном расширении Стандартной модели, в которой есть место для целого ряда новых частиц, в том числе и для так называемого гравитино, у которого как раз нужные свойства. Эта смелая идея, которую они более подробно представили в следующей статье, называется суперсимметрией. На самом деле Примак занимался суперсимметрией с самого ее зарождения в начале 1970-х годов (снова бурные семидесятые!).
Блументаль, Примак и Пейджелс написали в аннотации к своей статье 1982 года в журнале Nature: «Мы полагаем, что Вселенная с преобладанием гравитино может порождать галактики посредством гравитационной неустойчивости без наблюдательных противоречий, присущих Вселенной с преобладанием нейтрино». Это такой вежливый способ сказать: «Забудьте про нейтрино, гравитино решит все ваши проблемы».
В том же самом году Джим Пиблс опубликовал в Astrophysical Journal Letters статью, в которой описал Вселенную с преобладанием еще более тяжелых частиц массой больше 1000 эВ6. В чем смысл? Дело в проблеме однородности. Температура реликтового излучения одна и та же по всему небу, как минимум с относительной точностью в одну десятитысячную. По-видимому, во время отделения барионной материи от высокоэнергичного излучения Большого взрыва (это случилось, когда Вселенная достигла возраста около 380 000 лет) ее распределение должно было быть очень однородным. А вот современная Вселенная сильно неоднородна, как сам Пиблс уже понял на основании анализа самых первых карт распределения галактик, в том числе описанной в главе 6 «Карты миллиона галактик».
Решение Пиблса для проблемы однородности состояло в том, что сравнительно массивные и «медленные» небарионные частицы почти совсем не взаимодействуют с фотонами. Поскольку в отличие от барионов эти гипотетические частицы практически никак не были связаны с полем излучения ранней Вселенной, то они должны были начать постепенно скучиваться задолго до высвобождения реликтового излучения. В результате, как мы теперь понимаем, должна была образоваться трехмерная «паутина» из уплотнений темной материи с массами примерно как у карликовых галактик. Как только барионы (атомные ядра) получили возможность свободного передвижения в пространстве, они начали падать на эти «гало темной материи», и возникли условия для начала звездообразования. На более позднем этапе возникшие таким образом «протогалактики» стали объединяться во все более крупные структуры, и таким образом образовались великолепные спиральные галактики вроде нашей, а также гигантские эллиптические галактики.
Расчеты Пиблса показали, что такие массивные слабовзаимодействующие частицы замечательным образом позволяют сочетать современную крупномасштабную структуру Вселенной с эхом Большого взрыва, произошедшего 13,8 миллиарда лет назад. Слабовзаимодействующие частицы обеспечивают требуемый характер скученности распределения галактик без превышения наблюдаемого уровня флуктуаций температуры реликтового излучения. Интересно, что, в отличие от Блументаля, Примака и Пейджелса, Пиблс не высказал никаких предположений о конкретном виде этих частиц – в его теории это были чисто гипотетические объекты. Неудивительно, что позднее, когда отношение к его гипотезе становилось все более серьезным, он порой думал: «Послушайте, я ведь просто хотел решить проблему однородности, и это оказалась самая простая не противоречащая наблюдениям модель из пришедших мне на ум. С чего вы взяли, что все так и есть на самом деле?»
Как бы то ни было, считается, что опубликованная Пиблсом в 1982 году статья возвестила рождение теории холодной темной материи, где, напоминаю, «холодная» на жаргоне физиков означает «медленно движущаяся»7. Момент оказался подходящим. Ученые пытались разобраться с концепцией темной материи уже в течение более чем 10 лет (не считая первых исследований 1930-х годов), и, подобно слепцам в древней индийской притче, все они изучали разные части одного и того же большого «слона». И наконец-то одна теория смогла все объяснить, и на нее «подсели» все: радиоастрономы, специалисты по физике элементарных частиц, динамике галактик, космологи, физики-ядерщики, специалисты по численному моделированию, популяризаторы науки и школьные учителя.
А как насчет опубликованной в 1984 году в журнале Nature статьи с участием Фабер? Вполне возможно, что именно благодаря этой публикации широкие круги научного сообщества узнали о теории холодной темной материи, и не в последнюю очередь благодаря тому, что одним из авторов статьи был выдающийся британский астрофизик Мартин Рис.
Весной 1983 года Рис и Примак участвовали в междисциплинарной физической конференции, которая проводилась на горнолыжном курорте Куршевель-Морион во Французских Альпах. Программа конференции была составлена таким образом, что у ученых-спортсменов было много времени для спуска со склонов Трех Долин. Примак никогда раньше не вставал на лыжи, и после одного дня занятий с инструктором – и множества падений – он решил, что это не для него. Рис также не пошел кататься на лыжах, и они в конце концов оказались в одном из шикарных баров, где стали обсуждать проблемы физики и космологии. Слово за слово, и возникла мысль написать статью про холодную темную материю, а Примак попросил своих коллег из Санта-Круз помочь в осуществлении этой задумки.
В этой статье, озаглавленной «Образование галактик и крупномасштабная структура холодной темной материи», авторы не стали избегать ряда фундаментальных вопросов и пообещали дать на них удовлетворительные ответы8. «Почему существуют галактики, – авторы сразу взяли быка за рога, – и почему у них именно наблюдаемые размеры и формы?»
Почему галактики объединяются в иерархические структуры – скопления и сверхскопления, разделенные огромными пустотами, в которых практически нет ярких галактик? И какова природа невидимой массы, или темной материи, наличие которой выявляется по ее гравитационному воздействию в окрестности галактик и скоплений галактик, но которая при этом непосредственно не наблюдается ни в одном из диапазонов электромагнитного излучения? Быть может, из всех великих загадок современной космологии именно эти три наиболее близки к решению.
По мнению авторов, самое подходящее решение – это холодная темная материя. Пиблс никак не высказывался по поводу истинной природы этой загадочной субстанции, а Блументаль, Фабер, Примак и Рис предложили целый список возможных кандидатов, включая аксионы, фотино, первичные черные дыры и «крупицы кварков». (Мы вернемся к аксионам и первичным черным дырам в последующих главах, а остальные кандидаты настолько умозрительны, что о них можно сразу забыть.) Авторы очень подробно описывают происхождение галактик и последовавшее их объединение в скопления и сверхскопления и даже рассуждают об образовании карликовых галактик и шаровых скоплений – роящихся вокруг большинства крупных галактик сферических сборищ сотен тысяч звезд.
Ближе к концу статьи авторы делают следующий вывод: «Мы показали, что наблюдаемая Вселенная замечательно описывается моделью, в которой количество холодной темной материи [примерно] в 10 раз превышает количество барионной материи». Картина мира с холодной темной материей «представляется наилучшей из имеющихся и заслуживает тщательного исследования и проверки».
Темная, холодная, нейтральная, невидимая, небарионная. Массивная в том смысле, что частицы должны иметь отличную от нуля массу – в конце концов, они выдают себя именно посредством гравитационного воздействия. Неподвластные электромагнитным силам и сильному ядерному взаимодействию. Возможно, участвующие в слабом взаимодействии. Ученые наконец вплотную пришли к пониманию свойств темной материи. Осталось лишь установить, что же это такое.
Казалось, что решение совсем рядом.
10. Чудотворные вимпы
Тихий солнечный день в небольшой французской деревне Сен-Жени-Пуйи, что рядом со швейцарской границей и всего в 10 километрах от Женевы. Перед роскошными особняками на аллее Мадам де Сталь, названной в честь знаменитой писательницы и политической активистки XIX века, играют дети. Вдали виднеются расположенные в природном заповеднике высокогорной части юрского массива (Reserve naturelle nationale de la Haute Chaine du Jura) популярные горнолыжные курорты. В общем, идиллическая картина.
Но внизу происходит настоящий армагеддон. На глубине 60 метров под деревней проложен туннель шириной 4 метра. Он проходит под спортивным комплексом Жимназ-дю-Лион, пересекает улицу Ля-Фосий и выходит за город. После Сен-Жени-Пуйи туннель поворачивает на север и замыкается, образуя окружность длиной 27 километров, проходя под такими же мирными деревушками Жекс, Вессоекс, Ферне-Вольтер и Мейрен. Два невероятно узких пучка протонов – ядер атомов водорода – несутся в противоположных направлениях по откачанному каналу по центру туннеля. Эти заряженные частицы – их называют релятивистскими протонами, потому что ускорены до 99,999999 % скорости света, – крутятся по туннелю, совершая свыше 11 000 оборотов в секунду. Протоны удерживают на круговых траекториях более 1200 огромных сверхпров