Финкбейнер, Слатьер и аспирант Мен Су объявили об открытии «пузырей Ферми» в статье, размещенной 29 мая на сервере препринтов arXiv. Когда 9 ноября Гарвардский университет выпустил пресс-релиз, сопроводив его впечатляющим рисунком с изображением гигантских пузырей, это стало мировой сенсацией. Окончательная версия статьи была опубликована в номере The Astrophysical Journal от 1 декабря10.
Что же там такое происходит в центре нашей Галактики? Какой механизм мог породить два огромных гамма-пузыря, каждый поперечником около 25 000 световых лет, расположенных над и под галактической плоскостью? Последующие наблюдения убедительно показали, что эти пузыри являются результатом быстрого истечения вещества, скорее всего, вызванного взрывом в галактическом центре, который мог произойти несколько миллионов лет назад. Высокоэнергичные электроны и другие заряженные частицы порождают гамма-излучение посредством упомянутого выше процесса обратного комптоновского рассеяния.
Сначала Слатьер была несколько разочарована, узнав, что пузыри, скорее всего, не стали ключом к отгадке великой тайны: «Было бы невероятно эффектно, если бы пузыри Ферми объяснялись темной материей». Но, опять-таки, при поиске в данных «Ферми» трудноуловимого – а возможно, и даже несуществующего – сигнала аннигиляции темной материи следует рассмотреть все прочие возможные механизмы гамма-излучения. Как написали трое ученых в своей статье, «чтобы использовать данные наблюдений гамма-излучения в центральной части Галактики для исследования физики темной материи, необходимо понять [происхождение] пузырей».
Такого же мнения придерживался и Дэн Хупер из Чикагского университета11. Выполненный им независимый анализ данных «Ферми» позволил выявить дополнительный избыток гамма-излучения с относительно низкой энергией (всего несколько ГэВ) в гораздо меньшей по размеру области примерно сферической формы вокруг галактического центра. Эта дополнительная концентрация гамма-излучения выглядела никак не связанной с пузырями и, по-видимому, порождена в результате другого механизма. После того, как Хуперу удалось убедить Слатьер в правильности полученных им результатов, они в 2013 году опубликовали совместную статью в онлайн-журнале Physics of the Dark Universe12.
А что, если причиной этого избытка гамма-излучения низкой энергии действительно является аннигиляция темной материи? Или мы просто принимаем желаемое за действительное? Источником избытка может быть и большая популяция миллисекундных пульсаров с очень быстрым вращением, скорость которого достигает нескольких сотен оборотов в секунду, но каким образом эти экзотические объекты могли оказаться так далеко от плоскости Галактики на расстояниях до 10 000 световых лет от галактического центра?
Проблема все еще далека от решения. Было выдвинуто много веских доводов против объяснения избытка гамма-излучения проявлениями темной материи, но в последнее время появилось также много веских доводов против этих доводов. В 2017 году миллисекундные пульсары большинством считались наиболее подходящим объяснением. Но через два года Слатьер в совместной статье с Ребеккой Лин из Массачусесткого технологического института пришли к выводу, что «в конечном счете, по-видимому, именно темная материя является главным источником избытка [гамма-излучения] галактического центра»13.
Пульсары или темная материя? По словам специалиста по космической микрофизике Мерсе´дес Паниччиа из Женевского университета, участвовавшей в создании кремниевых датчиков для прибора AMS‑02, этот же вопрос не дает покоя теоретикам международной группы магнитного альфа-спектрометра. При планировании поездки в ЦЕРН в июне 2019 года я надеялся встретиться там с руководителем проекта AMS Сэмюэлом Тингом – он обычно проводит большую часть времени в европейской физической лаборатории. Но, по-видимому, он в это время уехал на какую-то конференцию. «Его трудно застать тут, – сказала мне Паниччиа при встрече, – но я могу вам все показать. Давайте встретимся у Центра управления полезной нагрузкой AMS – это корпус номер 946».
Расположенный в нескольких километрах от главного входа в ЦЕРН Центр управления полезной нагрузкой – это своего рода высокотехнологический научный нервный узел с постоянным персоналом14. Физики и технический персонал работали за расположенными по двум сторонам помещения компьютерными мониторами. На размещенных на стенах огромных экранах велась прямая трансляция с МКС из Космического центра НАСА имени Линдона Джонсона в Хьюстоне. На громадной цифровой карте мира отслеживается текущее положение космической станции. А я не могу оторвать глаз от расположенного под картой большого монитора, на котором ведется счет зарегистрированных с начала работы AMS‑02 космических лучей. За время моего получасового пребывания светящееся красное число увеличилось с 139 767 027 021, когда МКС пролетала над Африкой, до 139 768 372 421, когда станция пересекала Тихий океан. «Это примерно 600 событий в секунду, – говорит Мерседес. – Большинство из них – протоны. На втором месте электроны, но мы также регистрируем многочисленные события, соответствующие более тяжелым атомным ядрам, антипротонам и позитронам». И, снова взглянув на счетчик, я не могу отделаться от мысли, что некоторые из этих событий могут быть следствием аннигиляции темной материи.
Во главе расположенного в центре стола для совещаний – табличка «Профессор Сэмюэл Ч. Ч. Тинг», и стоит пустое кожаное кресло с подлокотником. «Я не знаю, где он, – говорит Мерседес. – Он ужасно занятой человек».
Вернувшись домой, я не менее трех раз пытался связаться с Тингом, написав ему письма по разным адресам, но так и не получил ответа. «Договориться об интервью будет нелегко, – говорит мне специалист по изучению темной материи Сьюзан Башегмез. – Он ведь нобелевский лауреат». Личный помощник Тинга в Массачусетском технологическом институте Кристин Тайтус тоже ничем не может меня обрадовать: во время моей поездки по Восточному побережью в январе 2020 года он будет в командировке. Я уже готов был сдаться.
Наконец в сентябре 2020 года после очередной просьбы Тинг ответил мне. Да, он сможет дать интервью в Zoom позднее в этом месяце. Это оказалось аккурат в день сорокалетия моей свадьбы, но я был не против. Я ожидал, что мы поговорим около четверти часа, и заготовил короткий список вопросов. А вместо этого 84-летний физик устроил мне персональную полуторачасовую лекцию с презентацией из нескольких десятков слайдов. Своим характерным мягким голосом он говорил про физику элементарных частиц, антиматерию, технологию детекторов и политику. Попутно рассказывал интересные случаи из своей жизни: например, как он почти потерял надежду реализовать свой проект после отмены полета детектора AMS‑02 из-за катастрофы «Колумбии». Или как получил штраф в 245 долларов за превышение скорости, когда мчался в Космический центр Кеннеди, чтобы увидеть старт шаттла с детектором элементарных частиц. Или как он волновался перед запуском шаттла «Эндевор», боясь, что что-то пойдет не так и все эти годы работы окажутся потрачены зря.
Прошло 25 лет после того, как Сэмюэл Тинг впервые предложил вывести в космос большой детектор элементарных частиц, и, хотя на данный момент удалось зарегистрировать более 150 миллиардов частиц космических лучей, включая несколько миллионов позитронов, он все еще не готов объявить об открытии аннигилирующей темной материи. На вопрос, считает ли он, что полученные спектрометром AMS данные могут объясняться темной материей, Тинг отвечает: «Неважно, что я считаю. Данные дают основания так полагать, но это пока еще не доказательство».
Действительно, позитронов с энергиями от 3 до 1000 ГэВ гораздо больше, чем могут обеспечить обычные астрофизические процессы, и распределение позитронов по энергиям не совсем согласуется с данными гораздо менее масштабного эксперимента PAMELA, который был прекращен в 2016 году. Но результаты AMS не являются убедительным доказательством обнаружения распада темной материи: в принципе, причиной наблюдаемого избытка (впервые описанного в 2013 году в журнале Physical Review Letters) могут быть сравнительно немногочисленные высокоэнергичные пульсары в наших галактических окрестностях – к сожалению, в случае заряженных частиц невозможно определить направление, откуда они прилетели15.
С другой стороны, AMS‑02 также обнаружил аналогичный избыток антипротонов, а энергии пульсаров недостаточно для порождения этих гораздо более массивных античастиц. Если бы позитроны и антипротоны порождались в результате двух разных механизмов, то было бы несколько странно – прямо-таки заговор природы – обнаружить у них одинаковый энергетический спектр. Если же оба вида антиматерии являются результатом аннигиляции темной материи, то естественно ожидать от них более или менее схожего поведения, что как раз и наблюдается в данных AMS‑02.
И снова – пульсары или темная материя. Ответ на этот вопрос может быть получен, когда AMS‑02 проработает еще какое-то время и, накопит больше данных наблюдений космических лучей и, соответственно, зарегистрирует больше частиц антиматерии с очень высокими энергиями. Вот почему Тинга так обрадовали четыре успешных выхода в открытый космос астронавтов Луки Пармитано и Эндрю Моргана, которые они выполнили с середины ноября 2019 года по конец января 2020-го. За прошедшие годы вышли из строя три из четырех насосов системы охлаждения спектрометра AMS, и астронавты заменили их все на новые, более мощные в ходе серии очень трудоемких и длительных ремонтных работ под пристальным взглядом Тинга, наблюдавшего за процессом из Центра управления полетами в Хьюстоне. И да, во время четвертого и последнего выхода в открытый космос Пармитано устранил протечку в одной из трубок системы охлаждения, или, как он в шутку назвал ее в своем твите от 3 февраля, канализации.