Коллайдер

Хэлперн Пол

Чтобы понять, является ли такое поведение скоростей в Андромеде исключением или правилом, Рубин и Форд совместно со своими коллегами из Института Карнеги Норбертом Тоннардом и Дэвидом Берстайном решили проверить еще 60 спиральных галактик. Хотя спиральные не единственный тип галактик - есть эллиптические, есть галактики неправильной формы, - астрономы выбрали «вихрь» за его простоту. В отличие от других типов галактик, в спиральных звезды в рукавах все вращаются в одном направлении. Поэтому их скорости легче отложить на графике, а значит, легче проанализировать.

Группа ученых выполнила наблюдения на обсерваториях Китт-Пик в Аризоне и Серро-Тололо в Чили и построила кривые вращения

для всех 60 галактик. На удивление, на каждом графике был такой же плоский участок, как у Андромеды. Отсюда Рубин и ее соавторы сделали вывод, что основная часть вещества в спиральных галактиках собрана в протяженные невидимые образования, которые, если не считать гравитационного поля, никак себя не проявляют. Проблема, мучавшая Оорта и Цвикки, встала во весь рост!

Кто скрывается за маской? Может быть, темная материя состоит из обычного вещества, но его плохо видно? Может, наши телескопы всего-навсего слишком слабы, чтобы разглядеть все объекты в космосе?

Одно время на роль темной материи предлагались небесные тела, в чьем названии отразилась приписываемая им гравитационная мощь: мачо-объекты (МАСНО, акроним от англ. Massive Compact Halo Objects - «массивные компактные объекты гало»). Это массивные небесные тела в гало [26] галактик, излучающие мало света. К ним, в частности, относятся планеты-гиганты (размером с Юпитер и больше), коричневые карлики (звезды с весьма непродолжительной стадией термоядерного горения), красные карлики (слабосветящиеся звезды), нейтронные звезды (звездные ядра, пережившие катастрофическое сжатие (коллапс) и состоящие из нуклонной материи) и черные дыры. Все они состоят из барионного вещества, к которому относится вещество атомных ядер и его ближайшие родственники, например водородный газ.

26

Гало - сферическая подсистема галактики. В него также входит звездный балдж.
– Примем. пер.

Для охоты за мачо-объектами и другими тусклыми источниками гравитационного притяжения астрономы разработали искусный метод под названием гравитационное микролинзирование. Гравитационная линза - это массивное тело, которое, подобно призме, отклоняет свет. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, тяжелые тела прогибают вокруг себя пространство-время, из-за чего траектория проходящего мимо луча искривляется. В 1919 г. эффект линзирования наблюдался во время солнечного затмения: в этот момент удается рассмотреть звезды вблизи диска Солнца, которое и отклоняет их свет.

Поскольку мачо-объекты, проходящие между Землей и далекими звездами, должны искажать изображение, микролинзирование дает способ их «взвесить». Если мачо-объект вдруг окажется на луче зрения в направлении наблюдаемой звезды (например, одной из звезд близкой галактики), она благодаря гравитационной фокусировке на миг станет ярче. А когда «мачо» пройдет мимо, звезда потускнеет и примет прежний вид. По этой кривой блеска астрономы могут вычислить массу объекта.

В 90-х гг. в рамках проекта МАСНО международная группа астрономов из обсерватории на горе Стромло в Австралии составила каталог, в который вошли около 15 «подозрительных» событий. Участок за участком просматривая гало Галактики и используя в качестве звездного фона Большое Магелланово Облако (спутник Млечного Пути), ученые натолкнулись на характерные кривые блеска. По этим наблюдательным данным астрономы оценили: около 20% всей материи в галактическом гало составляют мачо-объекты с массой от 15 до 90% массы Солнца. Эти результаты свидетельствовали о том, что

окраину Млечного Пути населяют тусклые и сравнительно легкие звезды, которые хоть почти и не светят, но создают силу притяжения. То есть частично прояснилось, какие небесные тела водятся на периферии Галактики, но чем объяснить оставшуюся долю скрытой массы по-прежнему было непонятно.

Есть и другие причины полагать, почему мачо-объекты не могут дать окончательный ответ на загадку темной материи. В астрофизических моделях нуклеосинтеза (образования химических элементов), зная, в каком количестве сегодня присутствует тот или иной элемент в космосе, можно рассчитать, сколько протонов содержала Вселенная в первые моменты после Большого взрыва. А это дает возможность оценить долю барионного вещества во Вселенной. К сожалению, расчеты показывают, что только часть темной материи имеет барионную природу, остальное находится в какой-то другой форме. Поскольку мачо-объекты, состоящие из знакомых нам барионов, не подошли на роль панацеи, ученые обратили свой взор на других кандидатов.

Неслучайно мачо-объекты наградили столь брутальным названием: тем самым их хотели противопоставить другому классу тел, предложенных для объяснения темной материи, - неуловимым «вимпам» (WIMP - слово, образованное от англ. Weakly Interacting Massive Particles– «слабовзаимодействующие массивные частицы»). В отличие от «мачо», «вимпы» - это не небесные тела, а новый тип массивных частиц, которые участвуют только в слабых и гравитационных взаимодействиях. Раз они тяжелые, «вимпы» должны обладать небольшими скоростями, что делает их превосходным гравитационным «клеем»: они не дают распасться гигантским структурам, наблюдаемым в космосе, таким как галактики и скопления галактик.

Нейтрино можно было бы не сбрасывать со счетов, будь они тяжелее и усидчивей. Ведь они, как и положено лептонам, обходят стороной сильные процессы, и, как всем нейтральным частицам, им не страшен электромагнетизм. Однако ничтожная масса и непоседливость нейтрино заставляют исключить их из рассмотрения. За их юркость нейтрино можно уподобить поверхностному политику, который то и дело совершает вылазки в разные округа, стремясь привлечь на свою сторону электорат перед выборами в городской совет. Разве захотят люди объединяться вокруг человека, который не в состоянии осесть на одном месте и завоевать твердую поддержку? Так и нейтрино, которые нигде подолгу не задерживаются и мало на что влияют, вряд ли подходят на роль объединяющего стержня.

Нейтриноподобные частицы - слишком легкие и быстрые, чтобы образовывать структуры, - получили название горячей темной материи. Хотя скрытая масса во Вселенной в какой-то степени может состоять из них, с их помощью нельзя объяснить, почему звезды во внешних областях галактик держатся за свой родной «остров» так крепко и почему сами галактики собираются в скопления. Более грузное вещество, отличающееся размеренным шагом, в том числе «мачо» и «вимпы», относятся к классу холодной темной материи. Если бы нам удалось достаточно ее наскрести, мы бы знали, из чего сделаны космические подпорки.

Но если не нейтрино, то какие нейтральные частицы неадронного происхождения обладают значительной массой и могут летать настолько медленно, чтобы оказывать влияние на звезды и галактики? Как ни прискорбно, но в Стандартной модели такие в дефиците. Помимо нейтрино, «мачо» и «вимпов» на роль темной материи претендует, и, как считают некоторые теоретики, небезосновательно, аксион. Эта массивная частица вводится в квантовой хромодинамике (теории сильных взаимодействий), но до сих пор экспериментально не обнаружена. На данный момент поиски скрытой массы во Вселенной зашли в тупик.