Международная космическая станция продолжит работать по крайней мере до 2028 года. К этому времени, по словам Тинга, спектрограф AMS‑02 зарегистрирует достаточное число частиц антивещества, чтобы можно было сравнить полученные данные с предсказанным энергетическим спектром аннигиляции темной материи в галактическом центре. А пока что ученые уже обсуждают перспективы запуска где-то около 2040 года гораздо более крупного и чувствительного космического детектора космических лучей, получившего предварительное название AMS‑100. Я считаю, что в случае его осуществления этот проект будет назван именем Сэма Тинга.
Трейси Слатьер и Дэн Хупер считают, что тайна избытка гамма-излучения из галактического ядра может быть разгадана в течение ближайших нескольких лет. В частности, они возлагают надежды на большие радиоастрономические обсерватории вроде многоантенного радиотелескопа MeerKAT в Южной Африке и будущего многоантенного радиотелескопа Square Kilometre Array (SKA – «[Антенная] решетка [площадью] в квадратный километр»). По словам Слатьер, «если в районе галактического центра действительно имеется большая популяция высокоэнергичных миллисекундных пульсаров, то глубокий радиообзор на радиотелескопе SKA должен ее обнаружить». По мнению Хупера, для получения наблюдаемого гамма-излучения из области галактического центра специалистам по пульсарам придется предположить наличие там целых трех миллионов таких источников. По его словам, «если радиотелескоп SKA ни одного такого объекта не обнаружит, то можно уверенно отвергнуть это объяснение».
Но это не обязательно будет означать, что мы установили происхождение обнаруженного спектрометром AMS‑02 избытка позитронов и антипротонов высокой энергии, – Слатьер считает, что его источником вполне могут быть близлежащие пульсары. По ее словам, «вряд ли все эти избытки имеют один и тот же источник в виде темной материи».
Вестники из дальнего космоса – частицы космических лучей и гамма-кванты – продолжают бомбардировать нашу маленькую планету. Не исключено, что ученые смогут найти в этой межзвездной лавине ключ к косвенному обнаружению темной материи. Пока что стог слишком велик, чтобы найти в нем иголку.
21. Мелкие нарушители
В том же году, когда Сэм Тинг наблюдал за запуском своего детектора антиматерии стоимостью 2 миллиарда долларов, Питер ван Доккум и Роберто Абраам начали обсуждать планы создания недорогой сверхчувствительной камеры для поиска галактик-призраков и других тусклых структур на ночном небе1.
Будучи заведующим кафедрой в Йельском университете, ван Доккум временами чувствовал себя уставшим от всех этих больших проектов, написания заявок на гранты и организационных встреч. Те же чувства были и у Абраама в университете Торонто. В 2011 году во время обеда в центре Торонто двое друзей вспоминали старые добрые дни, когда занятие наукой просто приносило удовольствие. Когда же все пошло не так? А не попробовать ли вернуть былой юношеский азарт и не начать ли новый почти любительский проект?
Спустя два года в Небесной обсерватории Нью-Мексико (New Mexico Skies Observatories) заработала первая небольшая версия многообъективного телескопа Dragonfly Telephoto Array. «Я точно не помню, кому именно пришла в голову эта мысль, – говорит Абраам. – Мы тогда выпили по нескольку банок пива. По-моему, эта была наша общая идея».
Я вам еще расскажу подробнее про телескоп Dragonfly дальше в этой главе – это действительно потрясающий проект2. Пока что просто перенесемся в конец марта 2018 года, когда телескоп Dragonfly стал мировой сенсацией – выполненные на нем наблюдения позволили доказать существование темной материи и опровергнуть альтернативную теорию модифицированной ньютоновской динамики (MOND), о которой говорилось в главе 12. И добиться этого удалось через обнаружение не самой таинственной субстанции, а карликовой галактики, полностью ее лишенной.
Ван Доккум называет это аргументом в стиле дзен: существование чего-то доказывается путем необнаружения этого чего-то. Если подумать, то в этом есть смысл. Если скорость вращения в галактиках определяется некой неизвестной особенностью гравитации, как это утверждают сторонники теории MOND, то этот эффект должен проявляться во всех галактиках. Но если, как считает большинство астрофизиков, скорость вращения определяется темной материей, то лишенные ее галактики должны вращаться медленнее, со скоростями, соответствующими только наблюдаемому количеству газа и звезд. Именно так ведет себя карликовая галактика NGC1052-DF2 – и такое поведение невозможно в рамках теории MOND3. Следовательно, темная материя существует. (Или, как минимум, теория MOND неверна.)
Никто не смог дать простого объяснения существования галактики, совершенно лишенной темной материи, но открытие DF2 продемонстрировало важное значение карликовых галактик для изучения темной материи.
Астрономам давно известны две маленькие галактики – два спутника Млечного Пути. Это Большое и Малое Магеллановы Облака, которые видны невооруженным глазом в Южном полушарии и в тропиках. У галактики Андромеды тоже есть галактики-спутники, впервые обнаруженные еще в XVIII веке французским астрономом Шарлем Мессье. И все же открытие в 1937 году первых «настоящих» карликовых галактик – гораздо меньших, чем Магеллановы Облака, – гарвардским астрономом Харлоу Шепли стало неожиданностью. В письме в редакцию, опубликованном в номере журнала Nature от 15 октября 1938 года, Шепли высказал предположение, что «такого рода объекты могут часто встречаться в межгалактическом пространстве»4.
И действительно, на момент написания этой книги известно как минимум 59 карликовых спутников нашей Галактики в пределах 1,4 миллиона световых лет от нее. Более крупные из них отличаются разнообразием форм и типов, от аморфных богатых газом систем со звездными скоплениями и туманностями до очень симметричных систем из старых звезд, напоминающих миниатюрные версии эллиптических галактик. Такие спутники в среднем в десятки раз меньше своих «главных» галактик и обычно насчитывают не больше нескольких сотен миллионов звезд, при том что в нашей собственной Галактике их около 400 миллиардов.
Но что же карликовые галактики могут нам рассказать о темной материи?
Карликовые галактики, обнаруженные Шепли лишь в конце 1930-х годов, сейчас считаются маркерами структурных элементов распределения темной материи во Вселенной. Напомним, что самые успешные выполненные на суперкомпьютерах модельные расчеты образования структур во Вселенной представляют «восходящий» сценарий иерархического скучивания. Как мы узнали в главе 11, частицы холодной темной материи движутся со сравнительно небольшими скоростями и поэтому под действием гравитации собираются в небольшие гало. Эти сгущения темной материи начитают аккрецировать обычную барионную материю, из которой образуются новые звезды. Со временем значительная часть образовавшихся таким образом карликовых галактик должна объединиться в большие системы наподобие нашей Галактики.
Хотя в рамках теории холодной темной материи невозможно получить надежные предсказания на основе общих соображений, модельные расчеты дают вполне согласованную картину. Большие галактики, каждая из которых окутана собственным почти сферическим гало из темной материи, окружены бесчисленными так называемыми субгало: это в основном начиненные темной материей карликовые галактики, которые пока еще не поглощены центральным тяжеловесом, а возможно, уже никогда и не будут поглощены.
Детальное изучение результатов больших суперкомпьютерных модельных расчетов вроде IllustrisTNG и EAGLE позволяет «предсказывать» свойства карликовых галактик. И наоборот, наблюдение и исследование реальных карликовых галактик дает хорошую возможность проверки популярного в настоящее время варианта теории ΛCDM – лежащей в основе этих расчетов модели «космологического конкорданса».
Хорошая новость состоит в том, что такая проверка была выполнена. Плохая новость – карликовые галактики ведут себя неподобающим образом, не так, как полагается.
Начнем с того, что их намного меньше, чем должно быть. Может показаться, что 60 кружащихся вокруг Млечного Пути спутников – это много, но, согласно теоретическим расчетам, их должно быть не менее 500. И ведь нельзя сказать, что астрономы недостаточно усердно искали. Имеющиеся обзоры должны были выявить намного больше таких систем. Это так называемая проблема недостающих галактик-спутников, и она реальна.
Для этой проблемы было предложено множество возможных решений. Например, как известно, в течение последних 10 миллиардов лет Млечный Путь пожирал подошедшие слишком близко к нему карликовые галактики – сначала разрывая их приливными силами, а потом присваивая принадлежавшие им звезды и темную материю. Может быть, пир уже почти закончился и у Млечного Пути осталось всего несколько десятков спутников на закуску.
Другая гипотеза состоит в том, что нас, возможно, действительно окружают сотни субгало темной материи, но по какой-то причине они оказались неспособны породить существенное количество новых звезд и поэтому невидимы для телескопов. Представьте себе – огромные сгустки, состоящие почти исключительно из темной материи, медленно обращаются вокруг нашей Галактики, двигаясь во всех возможных направлениях.
Но удовлетворительное решение проблемы недостающих галактик-спутников никак не находилось. Числа не сходились, и все тут. С учетом масс и светимостей наблюдаемых спутников теория ΛCDM предсказывает наличие порядочного количества более массивных субгало, которые должны были обязательно превратиться в хорошо заметные карликовые галактики.
И это не единственный вид неподобающего поведения карликовых галактик, затрудняющего поиски темной материи. Рассмотрим попытки оценки количества темной материи в карликовых галактиках на основе изучения скорости вращения принадлежащих им звезд и газовых облаков. В 1980-х годах первым такие измерения стал проводить астроном Марк Ааронсон из Аризонского университета, который погиб в 1987 году в результате несчастного случая под куполом четырехметрового телескопа имени Мейола в Национальной обсерватории Китт-Пик. На рубеже веков Джон Корменди и Кен Фримен выполнили более подробное исследование галактик самых разных типов на основе собранных ими данных, полученных другими исследователями.