ементов. Появление больших звезд, размеры которых более чем в 10 раз превосходят размеры Солнца, сопровождается скорее оглушительным грохотом, нежели робким шепотом. Их сильное гравитационное притяжение делает их хищниками: они поглощают находящиеся поблизости маленькие звезды, действуя по принципу гравитационной положительной обратной связи в гравитационном поле, а затем начинают разрушаться, образуя нейтронную звезду. Ядро массивной нейтронной звезды может сжиматься дальше, превращаясь в черную дыру и снова запирая внутри все необходимые для жизни элементы. Когда происходит коллапс нейтронной звезды, возникает ударная волна, запускающая расширение внешней оболочки звезды, которая сначала реагирует слабо, однако затем зажигается под действием потока нейтрино, вылетающего из ядра. С нейтрино связано одно из наиболее энергетически мощных событий Вселенной – вспышка сверхновой, которую в 1572 году наблюдал Тихо Браге.
В результате вспышек сверхновых тяжелые элементы, необходимые для жизни, такие как углерод, кислород и фосфор, выбрасываются в более холодные участки Вселенной, пригодные для жизни, попадая, например, на нашу планету. Возможно, сейчас слова из известной песни Джони Митчелл 1970 года о том, что мы состоим из звездной пыли[467], звучат как расхожая фраза, однако эта пыль разносится потоками крошечных нейтрино. Их точно нельзя назвать сущностями, в которых нет необходимости. Без этих нейтральных частиц, почти не имеющих массы, наша Вселенная была бы очень скучным местом.
Темная материя, возможно послужившая причиной вымирания динозавров, составляет 27 % массы Вселенной. Целых 68 % приходится на загадочную темную энергию. Солнце, звезды и планеты, видимые нам, составляют всего лишь 5 % материи. Почему Вселенная потратила столько ресурсов, чтобы образовалось такое огромное количество темной и очевидно ненужной материи?
На самом деле она не такая уж и ненужная, и ее не назовешь сущностью, в которой нет необходимости, потому что темная материя сыграла две важные роли, определившие наше существование. Прежде всего, она приняла участие в формировании галактик. Это довольно загадочное явление, поскольку, как заметил Нил Турок (см. раздел «Вступление»), реликтовое излучение чрезвычайно однородно, и это свидетельствует о том, что в момент своего появления Вселенная была проста и довольно скучна. Если бы она оставалась такой, не появились бы ни звезды, ни галактики. Однако если посмотреть на излучение (рис. 2) повнимательнее, увеличив изображение, мы увидим неоднородности: вполне различимые комочки, сгустки и волокна какой-то более плотной субстанции. Очевидно, темная материя сыграла роль коагулянта, благодаря которому из диффузного газа образовались плотные скопления в виде облаков, из которых затем появились галактики, звезды, планеты и, наконец, мы с вами.
Другая роль темной материи вырисовывается из следующего наблюдения: в старых галактиках, таких как наш Млечный Путь, продолжается процесс звездообразования со скоростью одна звезда в год, главным образом на границах галактик. Это заставляет задуматься, поскольку раньше считалось, что первоначальный материал звезд сформировался в процессе Большого взрыва и к настоящему моменту уже должен быть израсходован. Нельзя отрицать, что звездный материал пополняется за счет взрыва сверхновых, который сопровождается выбросом значительной массы вещества в межзвездное пространство, однако этот выброс происходит со скоростью примерно 1000 километров в секунду. Не забывайте, что космос – это прежде всего пространство, стремящееся к бесконечности, поэтому остатки сверхновых, в которых содержатся важные для жизни элементы, будут беспрепятственно вырываться за пределы нашей Галактики, стремясь навеки затеряться в бесконечном межгалактическом пространстве. Однако если бы вспышки сверхновых происходили именно так, галактики давно бы уже лишились межзвездного газа и пыли, а механизм звездообразования приостановился бы.
Ответ на вопрос, почему этого до сих пор не произошло, был получен в ходе наблюдений, проведенных американским астрономом Верой Рубин. Она родилась в 1928 году и увлеклась астрономией, когда ей было около десяти лет. В 14 лет она самостоятельно сконструировала телескоп, а к моменту окончания школы у нее созрело твердое решение стать астрономом. Однако это были 1940-е годы, и отношение к женщинам в науке в Америке того времени было примерно таким же, как в Германии во времена Эмми Нётер. Когда Вера подавала документы в Суортмор-колледж в Пенсильвании на отделение естественных наук, один из членов приемной комиссии поинтересовался, какую профессию она собирается выбрать. Услышав в ответ, что она хочет стать астрономом, он удивился и спросил, нет ли у нее каких-нибудь других интересов. Вера ответила, что любит рисовать, и в ответ услышала: «А вы никогда не задумывались о профессии, в которой могли бы заняться рисованием астрономических объектов?»[468] Эти слова стали излюбленной шуткой в ее семье. Стоило кому-нибудь допустить ошибку или совершить промах, как кто-то иронически произносил: «А вы никогда не задумывались о профессии, в которой могли бы заняться рисованием астрономических объектов?»
Непрошеный совет никак не повлиял на решение Веры, и она стала одним из самых выдающихся астрономов своего времени. В 1965 году она получает должность в престижном Институте Карнеги в Вашингтоне, где вместе со своим коллегой Кентом Фордом приступает к работе над проектом, который позволил определить распределение массы внутри галактик за счет измерения скорости вращения звезд. Из законов Ньютона следует, что гравитационная сила пропорциональна массе (скорость кругового орбитального движения в гравитационном поле должна соответствовать массе внутри орбиты), и поскольку предполагалось, что основная масса сконцентрирована в центре галактики, то звезды, находящиеся ближе к центру, должны вращаться быстрее, а звезды на периферии – медленнее, подобно тому, как внешние планеты вращаются вокруг Солнца медленнее, чем внутренние.
Однако когда Рубин и Форд измерили скорость вращения звезд в ближайшей к нам галактике Андромеды, они обнаружили, что удаленность звезд от центра галактики не оказывает никакого влияния на их скорость. Звезды на периферии вращались с той же скоростью, что и звезды, находящиеся близко к центру. Вера Рубин сначала не поверила полученным результатам, однако многократное повторение исследований для разных спектров звезд подтвердило их правильность. Ученые пришли к выводу, что в спиральных галактиках содержание материи в шесть раз больше, чем в видимых звездах, и что именно темная материя является причиной того, что звезды на периферии галактики Андромеды вращаются с большей скоростью[469]. Эти выводы в дальнейшем подтвердились в ходе исследования далеких галактик. Наблюдения показывают, что каждая из них окружена ореолом невидимой холодной темной материи.
Непрекращающееся звездообразование в старых галактиках происходит благодаря этому невидимому ореолу темной материи, который преграждает путь потоку вещества, которое высвобождается в результате вспышек сверхновых, и оно возвращается в галактику. Внутри галактики это вещество уплотняется, и из него образуются новые звезды, например Солнце, или скальные планеты, например Земля. Таким образом, мы с вами – продукт выброса взрывающихся звезд, однако, чтобы содержащиеся в них тяжелые элементы были доставлены в пригодные для жизни места, нужна темная материя.
Итак, разобравшись с тем, какую роль темная материя играет в нашем существовании, осталось определить роль темной энергии. Это не так просто. Загадка по-прежнему не разгадана.
Единственное, что указывает на эту энергию, – ускоряющееся расширение Вселенной. Учитывая, что мы ничего не знаем о природе темной энергии, как можно рассуждать о той роли, которую она играет в нашем существовании? Впрочем, мне кажется, у меня есть одна версия.
В нашей Вселенной есть целый ряд вещей, которые с легкостью можно было бы определить как сущности, в которых нет необходимости. Фундаментальные частицы из поколений II и III в стандартной модели отличаются от частиц поколения I только по массе, и может сложиться впечатление, что это лишние сущности, поскольку они не входят в состав обычной материи. Их роль только предстоит открыть: возможно, они участвуют в синтезе тяжелых элементов внутри звезд или сверхновых или в уничтожении антиматерии[470]. Кроме того, чтобы Вселенная оставалась собой, законам физики приходится отличать частицы от античастиц и видеть разницу между движением времени вперед и назад. Похоже, именно для этого Вселенной требуются как минимум три поколения частиц.
Итак, несмотря на то что некоторые вопросы остаются без ответов, вполне правомерно считать, что мы живем во Вселенной, которая стремится к простоте, оставаясь при этом обитаемой. Почему это так? Чтобы подойти к этому вопросу, нам придется сначала решить проблему тонкой настройки.
Стандартная модель в физике элементарных частиц описывает не только частицы, такие как кварки, электроны и фотоны, и силы, действующие между ними, но и некоторые крайне маловероятные величины. К ним относятся массы всех фундаментальных частиц и величины сил их взаимодействия. Ни одна из этих величин не предсказана научными теориями. Все значения установлены на основе экспериментальных данных, полученных при помощи коллайдеров, так же как два тысячелетия назад появились эпициклы Птолемея в подтверждение данных астрономических наблюдений. Насколько мы можем судить, все значения этих величин произвольны.
Помните ту воображаемую игру в кости, в которую играли два специалиста по статистике из городка Танбридж-Уэллс Байес и Прайс. Представим, что преподобный Байес хранит свои самые важные бумаги в сейфе, который надежно запирается на кодовый замок. В замке есть 10 ручек, и, чтобы дверца сейфа открылась, нужно повернуть каждую ручку на определенное количество оборотов от 0 до 60. Однако случилось так, что Байес забыл правильную комбинацию и не может открыть сейф. Он в отчаянии оттого, что, возможно, никогда не доберется до своих бумаг, и в этот момент к нему приходит мистер Прайс. Он на всякий случай захватил с собой свой шестидесятигранный кубик и, чтобы как-то отвлечь расстроенного Байеса, предлагает бросить кубик и проверить, нельзя ли с его помощью угадать комбинацию. Байес сначала относится к этой затее скептически, однако поскольку другого выхода нет, соглашается попробовать. Прайс бросает кубик несколько раз и получает комбинацию 55, 23, 48, 5, 76, 22, 35, 59, 41, 8. Байес пробует эту комбинацию на замке, и к его величайшему изумлению, дверца сейфа открывается.