Невидимая сторона Вселенной
Человечество сумело заглянуть в самые далекие уголки Вселенной. Но пока мы узнали лишь малую ее часть, и, чтобы открылась другая сторона мироздания, ученым для начала нужно найти способ ее увидеть.
На заре космологии — науки, изучающей Вселенную, — было принято считать, что ученые часто ошибаются в мелочах, но никогда не сомневаются глобально.
В наше время ошибки в расчетах удалось свести к минимуму, а вот сомнения разрослись до размеров изучаемого объекта.
Десятилетиями космологи строили новые телескопы, придумывали хитроумные детекторы, задействовали суперкомпьютеры и в результате с уверенностью могут утверждать, что Вселенная зародилась 13820 миллионов лет назад из крошечного пузырька в пространстве, по размеру сравнимого с атомом. Впервые ученые с точностью до десятой доли процента создали карту космического микроволнового фона — реликтового излучения, возникшего через 380 тысяч лет после Большого взрыва.
Космологи также пришли к выводу, что видимые нам звезды и галактики составляют всего 5% от состава наблюдаемой Вселенной. Большая часть приходится на невидимые темную материю (27%) и темную энергию (68%). По предположению ученых, темная материя формирует структуру Вселенной, связывая воедино разбросанные по разным ее уголкам сгустки материи, хотя до сих пор неизвестно, что такое эта самая темная материя. Темная энергия — еще большая загадка, этим термином принято обозначать неведомую силу, ответственную за постоянно ускоряющееся расширение Вселенной.
Гибель древней звезды. Одна из первых звезд во Вселенной заканчивает свою жизнь взрывом. Вещество звезды прорывается сквозь окружающую ее невидимую человеческому глазу темную материю, выбрасывая в открытый космос продукты звездного синтеза — кислород, углерод и другие элементы. Компьютерное моделирование показало, что образование звезд на столь ранних этапах рождения Вселенной (сотни миллионов лет после Большого взрыва) было бы невозможно без гравитационных сил, порожденных заполнявшей новорожденную Вселенную темной материей. Природа этого вещества остается загадкой для современной науки.
Первым намеком на существование всепроникающей темной материи стали исследования швейцарского астронома Фрица Цвикки. В 1930-е годы в обсерватории Маунт-Вилсон на юге Калифорнии Цвикки измерял скорости галактик в скоплении Волосы Вероники, вращающихся относительно центра скопления. Он пришел к выводу, что галактики должны были давно разлететься в космическом пространстве, если бы их не удерживала какая-то невидимая человеческому глазу материя. Скопление Волосы Вероники существует как единое целое уже миллиарды лет, из чего Цвикки заключил, что неведомая «темная материя заполняет Вселенную с плотностью, в разы превосходящей ее видимого собрата». Дальнейшие исследования показали, что гравитационное поле темной материи сыграло решающую роль в образовании галактик на первых этапах существования Вселенной — именно сила притяжения собрала воедино облака «строительного материала», жизненно необходимого для рождения первых звезд.
Невидимые нити мироздания. Мы не можем наблюдать темную материю, однако создаваемая ею гравитация формирует облик нашей Вселенной — и ее мы видим. Суперкомпьютер создал изображение на основе данных о гравитационном поле: «паутина» темной материи с развешанными на ней гроздьями из галактических скоплений в местах пересечения гигантских темных нитей. Одно только созвездие Девы стало пристанищем для тысяч галактик.
Темная материя — не просто замаскировавшаяся обыкновенная барионная (состоящая из протонов и нейтронов) материя: в космическом пространстве ее попросту слишком мало. Безусловно, есть множество небесных тел, ничего не излучающих: черные дыры, тусклые карликовые звезды, холодные скопления газа и планеты-сироты, по какой-то причине вытолкнутые за пределы родных звездных систем. Однако их суммарная масса никак не может более чем пятикратно превышать массу обычной видимой материи. Это дает ученым основание полагать, что темная материя состоит из каких-то более экзотических частиц, пока не наблюдавшихся в экспериментах. Ученые, занимающиеся построением суперсимметричной квантовой теории, предположили существование различных частиц, которые вполне могут подходить на роль заветной темной материи.
Подтверждение того, как слабо темная материя взаимодействует не только с барионной, но и с самой собой, космологи обнаружили в трех миллиардах световых лет от Земли в скоплении Пуля, на самом деле являющемся двумя сталкивающимися друг с другом галактическими скоплениями. Астрономы выявили массивные облака горячего газа в центре скопления, которые обычно образуются при столкновении облаков барионной материи. Для дальнейшего изучения исследователи создали карту гравитационного поля скопления Пуля и идентифицировали две области с высокой концентрацией массы поодаль от зоны столкновения — по одной в каждом из сталкивающихся галактических кластеров. Наблюдения показали: в отличие от барионной материи, бурно реагирующей в момент непосредственного контакта, их более тяжелые грузы из темной материи невозмутимо минуют место катастрофы в целости и сохранности, никак не взаимодействуя с царящим в округе хаосом.
Скопление Пуля. Данный космический объект был представлен в виде пары галактических скоплений, расположенных довольно близко друг к другу. Столкнувшись почти 100 миллионов лет назад на скорости 4700 километров в секунду, они начали постепенно удаляться друг от друга. Космическое пространство внутри этих галактических скоплений заполнено газом, который нагрет до нескольких десятков миллионов градусов и светится в рентгеновском диапазоне.
Конструируемые учеными детекторы для поиска темной материи невероятно изящны с инженерной точки зрения — тут они чем-то напоминают яйца Фаберже, от одного взгляда на которые даже у мастеров-ювелиров захватывает дух. Один из таких детекторов — магнитный альфа-спектрометр стоимостью два миллиарда долларов, установленный на Международной космической станции, ведет сбор данных о возможных столкновениях частиц темной материи друг с другом.
Послание из Млечного Пути. Находящийся на орбите Земли телескоп агентства NASA обнаружил неожиданно интенсивный поток гамма-излучения, исходящего из центра нашей галактики. Перед вами изображение Млечного Пути с нанесенной на него картой этого излучения, более яркие цвета соответствуют повышенной силе интенсивности потока гамма-лучей. Откуда они исходят? Физик Трейси Слейтер из MIT (Массачусетский технологический институт, США) и группа исследователей под ее руководством предполагают, что излучение возникает при взаимных столкновениях и аннигиляции частиц темной материи вблизи галактического ядра.
Большинство же детекторов нацелены на поиск следов взаимодействия между частицами темной и барионной материи, и попытки зафиксировать их предпринимаются уже на Земле, а точнее, под землей: для минимизации помех, вносимых прилетающими из космического пространства высокоэнергетическими частицами космических лучей, размещать исследовательские комплексы приходится глубоко под земной поверхностью. Детекторы представляют собой массивы кристаллов, охлажденных до сверхнизких температур, другие выглядят как огромные емкости, заполненные жидким ксеноном или аргоном, окруженные датчиками и упакованные в многослойную «луковицу» — обертку из самых разных (от полиэтилена до свинца и меди) экранирующих материалов. Интересный факт: недавно выплавленный свинец обладает небольшой радиоактивностью, что недопустимо при строительстве высокочувствительных детекторов. В экспериментах используется переплавленный свинцовый балласт, который подняли с затонувших кораблей времен Римской империи. За два тысячелетия, которые металл пролежал на дне моря, его радиоактивность заметно снизилась.
В чистой максимально изолированной лаборатории Стэнфордского университета помощник профессора Джон Марк Крейкебаум проводит осмотр кремниевых дисков, с помощью которых, возможно, удастся засечь доселе неуловимый след частиц темной материи. По предположениям ученых, эти частицы окружают нас повсюду, однако доказать их существование с помощью эксперимента пока не удалось. Для исключения помех от высокоэнергетических космических лучей детекторы размещают в специальных шахтах глубоко под землей. «Чем выше чувствительность конструируемого детектора, тем больше с его помощью можно увидеть», — говорит сотрудник Стэнфордского университета Мэтт Черри.
DEAP-3600 (Dark Matter Experiment Using Argon Pulse-Shape Discrimination — «Эксперимент по обнаружению темной материи при помощи измерения пульсации аргона») — один из самых чувствительных инструментов, созданных для обнаружения частиц темной материи. Сферическую конструкцию, состоящую из детекторов света, направленных на заполненную жидким аргоном емкость, установили в прошлом году глубоко под землей в полуторакилометровой никелевой шахте в Онтарио. Ученые надеются засечь взаимодействие частиц темной материи с атомами аргона, в результате чего должны образоваться слабые вспышки света. Их-то и зафиксирует окружающая аргоновую емкость сфера с датчиками.
Вам кажется, что по поводу темной материи полно вопросов? Сущие пустяки по сравнению с нашими представлениями о загадочной темной энергии! Лауреат Нобелевской премии по физике 1979 года Стивен Вайнберг считает ее «центральной проблемой современной физики». Астрофизик Майкл Тёрнер ввел в обиход термин «темная энергия», после того как две группы астрономов в 1998 году объявили об открытии ускоряющегося расширения Вселенной. Они пришли к такому выводу в процессе изучения сверхновых звезд типа Ia, обладающих одинаковой максимальной светимостью, благодаря чему их можно использовать для измерения расстояний до удаленных галактик. Гравитационное взаимодействие между галактиками в их скоплениях должно ограничивать расширение Вселенной, и астрономы ожидали увидеть замедление скорости изменения расстояний между звездными кластерами. Представьте их удивление, когда они выяснили, что все как раз наоборот: Вселенная расширяется, и скорость расширения со временем возрастает. А начался этот процесс, как предполагают ученые, пять-шесть миллиардов лет назад.
Расширение Вселенной после Большого взрыва
В последние годы астрономы заняты тщательным картированием Вселенной с беспрецедентно высокой точностью. Это поможет получить больше информации о точном моменте возникновения темной энергии и определить, остается ли она постоянной или изменяется со временем. Но возможности телескопов и цифровых детекторов небезграничны, а значит, чтобы вывести более точную космологическую теорию, необходимо разработать и построить новые инструменты — принцип остается неизменным с момента зарождения астрономии.
Для построения такой карты запущено несколько проектов вроде «Спектроскопического обзора барионных осцилляций» (BOSS, Baryon Oscillation Spectroscopic Survey), в рамках которого при помощи 2,5-метрового телескопа в американской обсерватории Апачи-Пойнт ведется измерение расстояний в космосе со сверхвысокой (до процента) точностью.
Проект «Обзор темной энергии» (DES, Dark Energy Survey) занимается сбором и изучением информации о 300 миллионах (!) галактик, наблюдения ведутся на 4-метровом телескопе имени Виктора Бланко, расположенном в чилийских Андах. Данный порект задействует 570-мегапиксельную камеру (на фото ниже) на телескопе для наблюдения галактик (наподобие галактики NGC 1365) на протяжении 5 лет. Ученые надеются выяснить, с какой скоростью расширялась Вселенная и как темная энергия запустила процесс ускоряющегося расширения космического пространства.
Галактика NGC 1365
Европейское космическое агентство ESA на 2020 год планирует запуск орбитального телескопа «Евклид», который позволит заглянуть в прошлое и понять, как менялась динамика расширения Вселенной на протяжении нескольких миллиардов лет. А с запуском Большого обзорного телескопа (LSST, Large Synoptic Survey Telescope), строящегося в нескольких километрах от телескопа Бланко, у космологов появятся огромные массивы уникальных данных. Относительно небольшой (диаметр зеркала — 8,4 метра), но достаточно быстрый при съемке, LSST будет оснащен сверхсовременной цифровой камерой в 3,2 гигапикселя, позволяющей разом охватить изрядную часть неба.
Телескоп «Евклид»
Большой обзорный телескоп LSST
С помощью такого арсенала технически сложных инструментов ученые надеются измерить скорость расширения Вселенной, выяснить, изменилась ли она с момента возникновения темной энергии, и понять, каково место последней в устройстве мироздания.
Это позволит сделать выводы ни много, ни мало о том, что ждет Вселенную в будущем и о том, как нам продолжить ее изучение. Если она будет расширяться со все возрастающей скоростью, всецело находясь во власти темной энергии, большинство галактик окажутся отброшенными из поля зрения друг друга, не оставив астрономам будущего ни одного объекта для наблюдения, кроме ближайших соседей и зияющей космической бездны.
Для того чтобы понять природу темной энергии, нам придется переосмыслить фундаментальные представления о самом пространстве. Долгое время космические просторы между звездами и планетами считались абсолютно пустыми, хотя еще Исаак Ньютон говорил, что ему чрезвычайно сложно представить, как гравитация может удерживать Землю, вращающуюся по орбите вокруг Солнца, если между ними нет ничего, кроме вакуума. В XX веке квантовая теория поля показала, что на самом деле пространство не является пустым, а, напротив, повсюду пронизано квантовыми полями. Основные «строительные кирпичики», из которых состоит материя — протоны, электроны и другие частицы, — по сути, являются лишь возмущениями квантовых полей. Когда энергия поля находится на минимальном уровне, пространство выглядит пустым. Но если поле возмущено, все вокруг оживает, заполняясь видимой материей и энергией. Математик Лучано Бой сравнивает пространство с поверхностью воды в альпийском пруду: она становится заметной, когда налетает легкий бриз, покрывая пруд дрожащей рябью. «Пустое пространство на самом деле не пусто, — сказал американский физик Джон Арчибальд Уиллер, — в нем таится настоящая физика, полная сюрпризов и неожиданностей».
Темная энергия вполне может подтвердить глубокую пророческую силу слов Уиллера. Стремясь понять механизмы, ответственные за непрекращающееся «раздувание» Вселенной — которое, как оказалось, еще и продолжает ускоряться, — ученые полагаются на эйнштейновскую общую теорию относительности, появившуюся сотню лет назад. Она отлично работает на объектах большого масштаба, но спотыкается на микроуровне, где балом правит квантовая теория и где таится разгадка постоянно ускоряющегося расширения космического пространства. Для объяснения темной энергии может понадобиться нечто принципиально новое — что-то вроде квантовой теории пространства и гравитации.
Современная наука бьется над, казалось бы, простой задачей: сколько энергии — темной или какой-либо другой — содержится в заданной ограниченной области пространства? Если в расчетах положиться на квантовую теорию, получается невообразимо большое значение. А если привлечь к проблеме астрономов, их оценка, основанная на наблюдениях за темной энергией, окажется несоизмеримо мала. Разница между двумя числами ошеломляет: 10 в 121-й степени! Это единица со 121 нулем — больше, чем количество звезд в наблюдаемой Вселенной и всех песчинок на нашей планете.
Это самый существенный перекос в истории науки, вызванный несогласованностью теории и фактических наблюдений. Очевидно, мы упускаем какое-то фундаментально важное свойство пространства, а значит, и всего, что нас окружает и является его частью, — галактик, звезд, планет и нас самих. Ученым только предстоит выяснить, насколько велик пробел в наших знаниях.
