И так удачно получилось, что в том же 1993 году НАСА вместе с рядом других космических агентств договорились о сотрудничестве с целью строительства будущей Международной космической станции (МКС). Ну а раз фундаментальные исследования были заявлены как одно из главных оправданий траты огромной суммы денег налогоплательщиков на создание, запуск, сборку и эксплуатацию МКС, то представлялось логичным использовать будущую космическую лабораторию в качестве платформы для задуманного Тингом высокоточного массивного и энергозатратного магнитного спектрометра. Это стало бы образцовым примером использования космической станции для научных целей.
Как и в любом наземном детекторе, в магнитном альфа-спектрометре предполагалось применить целый ряд технологических методов для измерения массы, заряда, скорости и энергии практически каждой прошедшей сквозь него частицы. В основе эксперимента огромный 1200-килограммовый магнит, поле которого в 3000 раз сильнее земного магнитного поля, он должен искривлять траектории электрически заряженных частиц, позволяя отличать положительно и отрицательно заряженные. А поскольку все технические решения были совершенно новыми, перед установкой инструмента на МКС для долгосрочной работы надо было опробовать технологию, отправив прибор в полет на шаттле.
Большинство людей не могут начать какое-нибудь дело, а Сэм Тинг, как только план созрел у него в голове, уже не мог остановиться. Он заручился поддержкой и сотрудничеством администратора НАСА Дэниэла Голдина, получил начальное финансирование от министерства энергетики и собрал международную группу ученых из 16 стран. Проект AMS был одобрен в апреле 1995 года. Первый вариант детектора антиматерии, детали которого изготавливались в разных институтах в Европе и Азии, был собран в ЦЕРНе менее чем за три года.
2 июня 1998 года Тинг наблюдал за запуском в космос прибора AMS‑01 на борту шаттла «Дискавери», который отправлялся в свой последний полет. Шаттл летел к российской орбитальной станции «Мир», но AMS‑01 работал из грузового отсека челнока. Прибор показал себя великолепно, несмотря на проблемы с передачей данных во время этого полета «Дискавери». В ходе эксперимента были даже получены неожиданные научные результаты – в частности, был обнаружен избыток низкоэнергичных позитронов. Результаты эксперимента были опубликованы в 2000 году в журнале Physics Letters B3.
Первоначальный план состоял в том, чтобы отправить этот же прибор – или как минимум его очень точную копию – на МКС. Но до завершения строительства МКС оставалось много лет, и поэтому у группы Тинга оставалось полно времени для улучшения конструкции устройства. Созданная в результате новая версия прибора – AMS‑02 – была размером 5 × 4 × 3 метра (она, пожалуй, не поместилась бы в вашей гостиной) и весила 7,5 тонны – почти в два раза больше своего предшественника4. В общей сложности детекторы этого огромного инструмента насчитывали 50 000 оптических волокон и 11 000 фотодатчиков. Прибор AMS‑02 с его 300 000 электронными каналами и 650 быстрыми микропроцессорами выдавал данные со скоростью 7 гигабит в секунду при энергопотреблении 2,5 киловатта. Запуск был запланирован на 2005 год.
Но 1 февраля 2003 года случилась катастрофа – при входе в атмосферу шаттл «Колумбия» разрушился и погиб весь экипаж из семи человек. В следующем году администрация Джорджа Буша – младшего внесла изменения в программу шаттлов, и все последующие полеты предполагалось осуществлять только для обеспечения работы МКС и доставки запасных частей, а сразу же после завершения строительства космического аванпоста эксплуатация челноков должна быть прекращена. И все, никакого больше специального полета для эксперимента AMS.
Тинг был подавлен. Прибор AMS был сконструирован так, чтобы поместиться в грузовом отсеке шаттла. Без шаттла его запуск был невозможен. Тинг попытался убедить нового администратора НАСА Майкла Гриффина добавить еще один полет в программу запусков шаттлов, но Гриффин по закону не имел права действовать вопреки указаниям Белого дома.
Все крупнейшие средства массой информации сообщили о решении прекратить проект AMS. Как вспоминает Тинг: «И только когда до конгрессменов дошло, что теперь на МКС не останется крупных научных проектов, научный потенциал прибора AMS и американская традиция соблюдения международных договоров получили двухпартийную поддержку». Благодаря упорству Тинга НАСА в конце концов приняло решение включить дополнительный полет в программу шаттлов, и это решило судьбу магнитного альфа-спектрометра. Мечте Тинга все же суждено было сбыться.
AMS‑02 был отправлен к Международной космической станции 16 мая 2011 года – это был 25-й и последний полет шаттла «Эндевор». Спустя трое суток экипаж космического корабля с помощью роботов-манипуляторов самого шаттла и МКС установили гигантский инструмент на третьем сегменте центральной фермы космической станции. Сбор данных начался практически сразу же после установки и продолжается до сих пор.
Когда спектрограф AMS был запущен в космос, то он уже был не единственным таким прибором. Международный коллектив под руководством итальянских ученых также создал детектор антиматерии под названием PAMELA (Payload for Antimatter-Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics – «Нагрузка по исследованию антиматерии и астрофизики легких ядер»). Этот детектор размером с большую бочку и весит менее 500 килограммов – гораздо меньше AMS – и к тому же не такой чувствительный, но наблюдения на нем ведутся с июня 2006 года – PAMELA была запущена в качестве дополнительной полезной нагрузки на российский спутник дистанционного зондирования «Ресурс-ДК1». Сможет ли Давид победить Голиафа в поиске посланников темной материи из космоса?
Группа эксперимента PAMELA представила первые предварительные результаты в августе 2008 года на конференциях в Филадельфии и в Стокгольме. (Полный анализ данных за два года работы детектора был опубликован в журнале Nature в апреле 2009-го5.) Детектор PAMELA проработал гораздо дольше, чем магнетограф AMS‑01, и поэтому успел зарегистрировать достаточное количество редких высокоэнергичных частиц, чтобы ученые смогли сделать вывод о том, что избыток позитронов, о котором в 2000 году сообщила группа Тинга, имеет место и на энергиях выше 10 гигаэлектронвольт (то есть миллиардов электроновольт, или ГэВ).
Новые результаты стали сенсацией. Откуда появились все эти антиэлектроны в космическом пространстве? Ну конечно же, в результате аннигиляции темной материи! Как сказал корреспонденту журнала Nature специалист по элементарным частицам Дэн Хупер из Чикагского университета: «Если это так, то мы имеем дело с великим открытием»6. Правда, и в этом случае нельзя было полностью исключить другие возможные механизмы. Антиматерия может порождаться в высокоэнергичных окрестностях пульсаров – быстровращающихся и сильно намагниченных нейтронных звезд.
Магнитный альфа-спектрометр (AMS), установленный на ферме Международной космической станции
Но такое воодушевление в 2008 году по поводу возможности косвенного обнаружения темной материи в космосе имело еще одну причину. 11 июня НАСА запустило «Космический гамма-телескоп Ферми», названный в честь итальянского и американского физика Энрико Ферми7. Благодаря огромному полю зрения, охватывающему почти 20 % небесной сферы, широкоугольный телескоп «Ферми» мог бы обнаружить гипотетическое гамма-свечение темной материи в центре нашей Галактики.
Разумеется, темная материя темна, и от нее не должно исходить никакое электромагнитное излучение. Но при ее аннигиляции порождаются фотоны высоких энергий – непосредственно (вспомним формулу E = mc2) или в результате сложной цепочки распада, завершающейся рождением пар «частица – античастица». Поскольку предполагается, что плотность темной материи в нашей Галактике максимальна в районе галактического центра, то именно в этом направлении стоит ожидать наиболее сильного аннигиляционного сигнала.
Дуглас Финкбейнер из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики очень хотел узнать о полученных обсерваторией Ферми результатах. Его тогдашняя аспирантка, а теперь доцент физики в Массачусетском технологическом институте, Трейси Слатьер, вспоминает, как нестерпимо было ему ждать, когда группа Ферми объявила, что 25 августа 2009 года выложит в общий доступ данные за первый год наблюдений: «Даг вычислил адрес интернет-страницы, на которой должна будет появиться ссылка на данные. Он постоянно обновлял эту страницу, чтобы быть уверенным, что мы сможем приступить к анализу данных при первой же возможности»8. Благодаря этому Гарвардская группа приступила к выгрузке данных, пока возможные конкуренты еще даже не знали о том, что они доступны.
Слатьер вместе с Финкбейнером, постдоком Грегом Доблером и физиками Илиасом Холисом и Нилом Вайнером из Нью-Йорка действительно обнаружили избыток гамма-излучения из галактического центра – они назвали его «туманом Ферми». Слатьер все время думала о темной материи, хотя в сообщении об открытии, опубликованном на сервере препринтов arXiv 26 декабря, об этой возможности упоминалось лишь вскользь. Дело в том, что избыток гамма-излучения мог также быть связан с процессом под названием «обратное комптоновское рассеяние», при котором фотоны приобретают очень большую энергию в результате столкновения с релятивистскими частицами. Но даже в этом случае такие частицы должны откуда-то появляться – это вполне могут быть электроны и позитроны, порождаемые при аннигиляции темной материи.
Окончательная версия статьи про «туман Ферми» была опубликована в июле 2010 года в The Astrophysical Journal9. Но к этому времени все стало еще интереснее. Согласно первым результатам, «туман Ферми» выглядел похожим на куриное яйцо, но в начале 2010 года, когда группа Финкбейнера выполнила более изощренный анализ большего объема полученных обсерваторией данных, оказалось, что форма источника избыточного гамма-излучения больше напоминает восьмерку – вертикальную лемнискату. Выглядело так, будто галактический центр «выдувал» в окружающее пространство два больших пузыря в противоположных направлениях вдоль оси вращения.