Несмотря на десятилетия тщетных поисков и потустороннюю атмосферу, посещение Национальной лаборатории Гран-Сассо вдохновляет и воодушевляет. Здесь, так же как и в немногих других подобного рода лабораториях, самые гениальные физики с помощью самых чувствительных в мире инструментов исследуют то, что считают самым распространенным и при этом самым таинственным компонентом Вселенной. Увлеченность этих ученых поражает, а их уверенность заразительна. Вне всякого сомнения, мы на пороге великого открытия – оно свершится в ходе эксперимента XENONnT или конкурирующих проектов, ну или, возможно, в результате менее масштабных экспериментов в лаборатории Гран-Сассо вроде DarkSide, CRESST, DAMA или COSINUS7. Лишь бы упрямая частица показалась, пусть и на мгновение, оставив слабый, но обнаружимый след в каком-нибудь из наших навороченных приборов.
Или мы все же гонимся за химерами? А вдруг все наши усилия тщетны? Неужели нам не суждено достичь успеха потому, что никакой детектор не в состоянии зарегистрировать неуловимую частицу или потому, что такой частицы вообще нет? Наше однодневное пребывание в Гран-Сассо подошло к концу, мы направляемся к автомобилю, на котором выбираемся из туннеля на солнечный свет, и я спрашиваю Колейна, что он думает о возможности столь печального исхода, об отчаянном положении физики темной материи. Что, если он всю жизнь занимался безнадежным делом?
Удивительно, но мысль о возможности неудачи совсем не угнетает Колейна. Прежде всего, он не уверен в существовании темной материи. «Я поверю, только когда ее увижу», – сказал он мне. Колейном на самом деле движет не желание открыть частицу темной материи. Его скорее интересует решение технических проблем самого эксперимента – возможность создания невероятно «тихого» прибора, свободного от любого мыслимого внешнего или внутреннего шума. По его словам, создание детекторов вроде XENONnT будет полезно для науки независимо от результата. Новое поколение физиков учится идти до предела и отодвигать границы возможного. Для него главная награда – это удовольствие от работы с великолепной группой.
В тот вечер я ужинал вместе с Колейном и шестью участниками его группы, среди которых был Дзюндзи Наганома. Мы наслаждались ликером из гентианы, традиционным шашлыком из ягненка и местным вином монтепульчано в заведении под названием «Арростини Дивини» на виа Кастелло в Л’Акуила, неподалеку от сильно разрушенной средневековой церкви Санта Мария Паганика. Спустя более десяти лет после разрушительного землетрясения большинство зданий с черепичными крышами в центре пострадавшего города остаются незаселенными, но бары и рестораны процветают. Жители Л’Акуила не сдаются и готовы преодолеть даже самые большие трудности. Точно так же и молодые мужчины и женщины за столом – я их всех воспринимаю как мальчишек и девчонок – полны решимости преодолеть любые препятствия и справиться с любыми неудачами в их поиске решения одной из величайших загадок природы, стоящих перед человечеством. Первые серьезные свидетельства существования темной материи были обнаружены еще до их рождения, в 70-х годах прошлого века. Есть надежда, что они доживут до раскрытия этой тайны.
А вот первопроходцам не так повезло.
3. Первопроходцы
Якобус Корнелиус Каптейн умер 18 июня 1922 года – в тот самый год, когда он предположил, что темная материя является необходимым элементом строения и динамики Вселенной.
Ян Хендрик Оорт умер 5 ноября 1992 года, через 60 лет после того, как получил первую количественную оценку темной материи в плоскости Млечного Пути – нашей Галактики.
Фриц Цвикки умер 8 февраля 1974-го, через 41 год после обнаружения им первых свидетельств наличия огромного количества темной материи в далеком скоплении галактик.
Каптейн, Оорт и Цвикки были пионерами в этой области исследований. Они поняли, что во Вселенной есть нечто невидимое. Они очень серьезно и глубоко подошли к этой проблеме, и все трое так и умерли, не дождавшись ее решения. Тайна темной материи все так же преследует нас, подобно надоедливому вирусу, с которым мы как-то привыкли сосуществовать1.
Конечно, тайны перестают быть тайнами. Сегодня нам трудно представить себе, как мало мы знали о Вселенной в конце XIX века. Было известно восемь планет, обращающихся вокруг Солнца. Астрономы открыли спутники и кольца планет, астероиды и кометы, но они не знали, как возникла Солнечная система. Ученые поняли, что Солнце – это всего лишь одна из миллиардов звезд, но не имели ни малейшего представления об источнике его энергии. Выдающиеся мыслители полагали, что солнечная энергия может быть результатом падения метеоритов или что наше пылающее светило медленно, но неуклонно сжимается и процесс этот сопровождается выделением энергии. Некоторые даже полагали, что на Солнце горит уголь.
Что касается всего, что находится за пределами Солнечной системы, то изучение этих объектов было на уровне коллекционирования марок. Данные в огромных каталогах ограничивались информацией о координатах, блеске, цвете и в отдельных случаях – расстояниях до звезд, и при этом было почти ничего не известно об их химическом составе, строении и эволюции – астрофизики тогда еще не существовало. И хотя благодаря упорству астрономов, которые вооружались все более крупными телескопами, были открыты тысячи тусклых и размытых «спиральных туманностей», похожих на знаменитую туманность Андромеды, истинная природа этих небесных объектов оставалась невыясненной. Некоторые считали их сравнительно близкими завихренными газовыми облаками, которые когда-нибудь сконденсируются в новые звезды. Другие полагали, что это огромные сборища звезд, удаленные от нас на миллионы световых лет.
Вот в такой Вселенной, в небольшой голландской деревне Барневелд 19 января 1851 года родился Якобус Каптейн2. Он был 10-м из 15 детей в семье сурового и набожного школьного учителя. Каптейн сначала учился в школе-пансионе для мальчиков у своих родителей, а потом поступил в Утрехтский университет, где изучал математику и физику. Он несколько лет проработал в Лейденской обсерватории – старейшей университетской обсерватории в мире, а в 1878 году получил должность профессора в Гронингене.
Каптейн внес важный вклад в астрономию, хотя в то время в Гронингенском университете не было обсерватории. Он получил мировую известность как создатель первого в мире фотографического обзора неба в сотрудничестве с шотландским астрономом Дэвидом Гиллом, который с помощью 15-сантиметрового телескопа Кейптаунской обсерватории в Южной Африке сделал сотни снимков южного неба на фотографических пластинках. Эти пластинки были пересланы в Гронинген, где Каптейн в течение пяти с половиной лет вручную тщательно измерял положения 454 875 изображений звезд. Основанный на этих измерениях фотографический Кейпский обзор (Cape Photographic Durchmusterung) был опубликован в трех томах с 1896 по 1900 год.
Работая над созданием обзора неба, Каптейн заинтересовался строением и динамикой того, что он назвал «система светил»: расположением всех этих звезд в трехмерном пространстве и их движением. А совместная работа с Гиллом убедила его в важности и пользе международного сотрудничества в астрономии, особенно для такой небольшой страны, как Нидерланды. С 1908-го по 1914-й Каптейн ежегодно проводил три месяца на расположенной вблизи Лос-Анджелеса обсерватории Маунт-Вилсон, директор которой – знаменитый американский астроном Джордж Эллери Хейл – построил Каптейн-коттедж специально, чтобы принимать там Якобуса Каптейна и его жену Элизу во время их длительных приездов. (Этот коттедж сохранился до наших дней, и его даже можно арендовать.)
Время было действительно потрясающее. В 1908 году завершилось строительство 60-дюймового телескопа обсерватории Маунт-Вилсон, и местный предприниматель Джон Д. Хукер выделил средства на создание 100-дюймового инструмента, который должен был впервые увидеть свет [6] в 1917 году. Обсерватория Маунт-Вилсон была астрономической Меккой, ее огромным телескопам было суждено раскрыть многие тайны Солнца, звезд и Вселенной.
А тайн хватало. Например, в 1912 году Весто Слайфер из обсератории Лоуэлла во Флагстаффе (штат Аризона) обнаружил, что большинство спиральных туманностей удаляются от нас с невероятно высокими скоростями, и никто не понимал почему. Быть может, 100-дюймовый телескоп наконец позволит выяснить истинную природу этих странных туманных вихрей?
После возвращения в Гронинген и затем уже в Лейдене Каптейн занялся дальнейшим развитием своих идей о Вселенной. Он заключил на основании исследования распределения звезд, что мы живем в более или менее линзовидной «агломерации» из почти 50 миллиардов звезд поперечником около 45 000 световых лет. И, как он считал, это все. За пределами этого сборища светил – нашей Галактики Млечный Путь – нет ничего, кроме пустого пространства. Он был твердо убежден, что таинственные спиральные туманности – всего лишь одни из обитателей этой «вселенной Каптейна». И теоретически не исключалась возможность существования и других, невидимых «обитателей» – темной материи.
Каптейн первым предложил картину Млечного Пути с оценкой его размеров и формы и роли темной материи. Сделал он это в свой знаменитой статье, опубликованной в The Astrophysical Journal в мае 1922 года. Каптейн скромно назвал ее «Первая попытка [создания] теории расположения и движения [объектов] звездной системы», но если задуматься, то попытка была далеко не скромная3. Человек, родившийся по астрономическим меркам всего мгновение назад на крохотной планете, обращающейся вокруг неприметной, заурядной звезды, пытается постичь строение всего сущего и всего, что когда-либо существовало. Очень неслабо.
Что касается темной материи, то Каптейн вслед за лордом Кельвином понял, что если изучить движения звезд и применить к ним закон всемирного тяготения Ньютона, то можно определить распределение массы в «звездной системе»