Рисунок: Константин Батынков

В начале этого сентября участники крупнейшего международного астрофизического проекта Planck опубликовали новые результаты картирования космическим телескопом Planck микроволнового излучения, фиксируемого в различных зонах нашей Вселенной. Препринт статьи был размещен на ведущем естественнонаучном интернет-ресурсе ArXiv.org. Полученные телескопом Planck данные подтвердили более раннее предположение ученых о возможном существовании в центральной области нашей галактики Млечный Путь мощного микроволнового ореола (задымления). Первые экспериментальные свидетельства этого ореола были выявлены еще в 2004 году космической обсерваторией NASA Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), которая занималась изучением так называемого реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва.

Телескоп Planck был запущен в мае 2009 года Европейским космическим агентством (ESA). И тогда же выведен на стационарную орбиту в точке Лагранжа на расстоянии в 1,5 млн километров от Земли (в этой точке, лежащей в плоскости орбит Солнца и Земли, наша планета почти полностью заслоняет солнечный свет, да и сама не мешает астрофизическим наблюдениям, поскольку обращена к ней неосвещенной стороной). Planck по сравнению с WMAP оснащен высокочувствительными приборами наблюдения за различными источниками космического излучения Вселенной и обладает значительно более широким частотным диапазоном.

Первичные данные, полученные Planck, официально представлены в феврале этого года. Одна из самых популярных на текущий момент теорий, объясняющих происхождение зафиксированного телескопом мощного источника излучения в центре нашей галактики, основывается на предположении, что всему виной процесс аннигиляции в данной зоне частиц пресловутой темной материи — ее безуспешными экспериментальными поисками заняты последние десятилетия ученые всего мира.

Затруднения теоретиков

Наиболее активным защитником версии темной материи выступает профессор американской Национальной лаборатории им. Ферми Дэн Хупер. Ученые-теоретики уже давно предположили, что в центральных областях галактик должна наблюдаться особенно высокая концентрация темной материи, а Дэн Хупер впервые высказал гипотезу о вимпах (Weakly Interacting Massive Particles — WIMP). Эти до сих пор не найденные в природе слабовзаимодействующие массивные частицы рассматриваются в теоретической физике в качестве основных кандидатов на роль холодной темной материи и могут быть основной причиной излучения, выявленного в недрах Млечного Пути.

Согласно гипотезе Хупера, плотно упакованные в центре нашей галактики вимпы в результате частых столкновений друг с другом постоянно аннигилируют и производят устойчивые пары электронов и позитронов (антиэлектронов). В свою очередь, образующиеся электроны и позитроны, будучи заряженными частицами, попадают в сильное магнитное поле в центре Млечного Пути и, двигаясь по искривленным этим полем траекториям с околосветовыми скоростями, испускают мощное синхротронное электромагнитное излучение в микроволновом диапазоне. Оно-то и было зафиксировано приборами телескопа Planck.

Еще один активный сторонник этой теории — профессор космологии Института Нильса Бора при Университете Копенгагена Павел Насельский, координатор рабочей группы «Фундаментальная физика» в рамках международного проекта Planck. Насельский в 1989 году защитил диссертацию доктора физико-математических наук в МГУ и позднее занимался различными проблемами современной космологии и астрофизики в сотрудничестве с крупнейшим российским ученым, членом-корреспондентом РАН Игорем Новиковым. Новиков с 1994 года возглавляет Центр теоретической астрофизики Копенгагенского университета Дании и при этом заместитель директора Астрокосмического центра Физического института РАН им. П. Н. Лебедева (ФИАН). «У нас, — говорит Насельский, — в настоящее время есть уже достаточно серьезные основания полагать, что главным источником необычного синхротронного излучения, которое обнаружил Planck, может быть именно процесс аннигиляции частиц темной материи».

Надо признать, большинство коллег пока воспринимают оптимистическую гипотезу Хупера-Насельского довольно сдержанно. Так, в беседе с «Экспертом» заведующий отделом теоретической астрофизики Астрокосмического центра ФИАН доктор физико-математических наук Владимир Лукаш отметил: «В центре Млечного Пути имеется большое количество разных источников излучения. Это и сверхновые, и пульсары, и черные дыры, а также множество других, пока недоступных нашему наблюдению объектов. И все они могут вносить тот или иной вклад в этот процесс. Поэтому активно обсуждаемая в последнее время версия с аннигилирующими частицами темной материи — это лишь одно из возможных объяснений выявленного интересного феномена, причем пока далеко не основное в списке кандидатов».

Точку зрения Владимира Лукаша разделяет Жюльен Лавалль из Института теоретической физики (Мадрид, Испания). «Моделирование процессов, происходящих в центре галактик, — говорит он, — до сих пор остается крайне сложной теоретической проблемой, поскольку наши знания об этих процессах пока очень фрагментарны. Например, нам практически ничего не известно о физической природе и свойствах магнитного поля Млечного Пути. Нехватка достоверной информации ставит под сомнение версию о возможной причастности пресловутой темной материи к происходящим в этой зоне процессам».

Космический телескоп Planck в мае 2009 года был выведен на стационарную орбиту в 1,5 млн километров от Земли

Астрофизики обращают также внимание на первоначальные теоретические компьютерные модели: по ним микроволновое задымление должно было иметь симметричную сферическую форму. А по данным, представленным участниками проекта Planck в начале сентября, этот ореол на самом деле оказался продолговатым, и к тому же в его южной части был выявлен четко выраженный острый край.

Острый наконечник предположительно имеет отношение к пузырям Ферми — двум другим гигантским структурам со схожими сильно заостренными краями. Пузыри испускают мощное гамма-излучение, которое в ноябре 2010 года было зафиксировано в том же центральном регионе нашей галактики другим космическим гамма-телескопом американского NASA Fermi. Впрочем, физическая природа этих таинственных пузырей тоже остается большой загадкой. По мнению ведущего американского астрофизика Дагласа Финкбейнера из Гарвардского университета (США), который одним из первых высказал предположение о наличии в центре нашей галактики микроволнового задымления, именно пузыри Ферми могут нести ответственность за обнаруженный телескопом Planck микроволновой ореол. Или по крайней мере производят часть этого комплексного эффекта. «Хотя вовсе не исключено, — говорит ученый, — что другим его виновником может быть и аннигиляция темной материи. К сожалению, пока мы не располагаем экспериментальными возможностями для четкого разделения наблюдаемого сигнала на отдельные составляющие, кроме того, не имеем каких-либо внятных теорий, объясняющих физическую природу, возраст и причины возникновения этих пузырей».

Типология неизвестного

Что же может представлять собой таинственная темная материя, почему ее многолетние поиски не привели к сколько-нибудь внятным экспериментальным результатам и почему исследователи вынуждены до сих пор прибегать к сослагательному наклонению при описании ее возможных физических свойств?

Первым астрономом, выдвинувшим еще в 1932 году гипотезу о существовании темной (невидимой в оптическом диапазоне) материи, был голландец Ян Оорт. А двумя годами позже швейцарско-американский астроном Фриц Цвикки разработал новую комплексную теорию скрытой массы Вселенной: большую ее часть занимает некое невидимое вещество, не участвующее в электромагнитном взаимодействии и проявляющее себя лишь посредством гравитационных сил. И именно Цвикки впервые теоретически рассчитал, что масса этого темного вещества должна в несколько раз превышать массу всех непосредственно наблюдаемых во Вселенной объектов.

Долгое время расчеты Цвикки воспринималась его коллегами как промежуточные. Исследователи полагали, что рано или поздно им удастся обнаружить в космическом пространстве объекты, состоящие из обычной (барионной) материи, которые покроют вопиющую недостачу массы и избавят их от необходимости выдумывать новые теоретические концепты, тем или иным образом объясняющие эту нехватку.

Однако энтузиазм существенно поубавился в середине 60-х годов прошлого столетия, когда было впервые обнаружено реликтовое излучение Вселенной. Исследуя в дальнейшем свойства реликтового излучения, ученые были вынуждены констатировать, что для его корректного теоретического описания нужно признать факт: во Вселенной действительно имеется огромное количество темной материи, не подпадающее ни под одну известную категорию. Согласно их новым расчетам выяснилось, что обычное, барионическое, вещество, из которого состоят известные физике элементарные частицы, вкладывает всего 5% в полную плотность энергии во Вселенной. Кроме того, от 0,3 до 3% полной энергии (массы) Вселенной, по-видимому, можно записать на счет так называемых реликтовых нейтрино. Остальные 90–95%, по сути, просто не поддавались теоретическому описанию в рамках мейнстримовских моделей.

Это панорамное изображение, полученное наложением друг на друга данных телескопа ESA Planck (красные и желтые зоны) и телескопа NASA Fermi (голубые и синие области), показывает пространственное распределение так называемой галактической дымки в центральной зоне Млечного Пути. На картинке также отчетливо видны две пузыреобразных структуры в центральном секторе нашей галактики, испускающие мощное гамма-излучение

Иллюстрация: ESA / Planck collaboration; NASA / DOE / Fermi Lat / d. Finkbeiner et al

Результаты серии точных измерений конца 90-х привели астрофизиков к неприятному для них выводу, что даже с учетом всех известных и еще не известных форм на материальную составляющую (обычную и темную материю) должно приходиться лишь около одной трети суммарной энергии Вселенной. Относительно внятный ответ на каверзный вопрос: «Куда же делись еще две трети?» ученые нашли во многом благодаря важнейшему космологическому открытию тех же 90-х. Оказалось, что процесс расширения Вселенной не только не замедляется, как это долгое время считалось, а, напротив, ускоряется, и начало этому новому ускорению было положено примерно пять миллиардов лет назад. Сделать это открытие удалось после измерения новой кинематической величины — производной скорости расширения Вселенной. Производная скорости расширения оказалась положительной, из чего и был сделан ключевой вывод: Вселенная с недавних пор снова расширяется ускоренно.

Таким образом, астрономы установили, что в природе существует не только привычное и понятное всем со школьной скамьи всемирное тяготение Ньютона — гравитационное притяжение, но еще и всемирное антитяготение — гравитационное отталкивание. Главной же причиной нового ускорения расширения Вселенной с мощным антигравитационным эффектом космологи признали уже третий по счету особый вид, названный ими темной энергией. Остававшиеся некоторое время неучтенными 65–70% суммарной энергии Вселенной были списаны на эту энергетическую субстанцию, но о физической природе темной энергии ученым пока известно еще меньше, чем о темной материи.

Холодно или горячо?

Согласно текущим теоретическим представлениям считается, что темная материя, так же как и обычное вещество, способна комковаться, то есть собираться в большие сгустки (размерами с галактику или скопление галактик), и участвовать в гравитационных взаимодействиях. Кроме того, неизвестные пока науке частицы, из которых предположительно состоит темная материя, чрезвычайно слабо взаимодействуют с обычным веществом (в противном случае они были бы уже давно обнаружены в разнообразных экспериментах на земных ускорителях).

Ученые полагают, что частицы, из которых должна состоять темная материя, по всей видимости, очень массивные и очень стабильные, то есть не распадаются на производные продукты в течение многих миллиардов лет (фактически — с момента образования нашей Вселенной). А также, опять-таки предположительно, они являются сами себе античастицами и способны аннигилировать только при столкновениях друг с другом.

На этом, по большому счету, наши полузнания о темной материи заканчиваются, и далее приходится вступать на зыбкую почву умозрительных научных гипотез, которых накопилось уже великое множество.

Так, долгое время ученые не могли прийти к консенсусу, горячая темная материя, или холодная, или, как вариант, состоит из обеих разновидностей. Причем в этой долгоиграющей полемике речь шла на самом деле не столько о температурных свойствах темной материи, сколько о том, какими массами и скоростями обладают составляющие ее частицы. Горячие частицы должны иметь скорости, близкие к скорости света, и, соответственно, относительно небольшие массы, в качестве таковых рассматривались прежде всего различные разновидности нейтрино. Холодные, напротив, должны быть медлительными (их скорость на несколько порядков ниже скорости света) и весьма массивными. К настоящему времени версия о преобладании во Вселенной холодной темной материи стала основной в большинстве теоретических концепций, однако полностью отбросить вариант с горячей темной материей ученые пока не рискуют и предпочитают говорить о том, что темная материя — это все-таки некая смесь двух базовых типов.

Оказалось, что процесс расширения Вселенной не только не замедляется, как долгое время считалось, а, напротив, ускоряется, и начало этому новому ускорению было положено примерно пять миллиардов лет назад

Рисунок: Константин Батынков

Что до главных возможных кандидатов на роль частиц темной материи, тут наиболее популярна гипотеза, что ее по большей части составляют уже упоминавшиеся частицы-вимпы (слабовзаимодействующие массивные частицы, то есть холодного типа). Эта гипотеза получила дополнительную поддержку благодаря многолетним усилиям физиков-теоретиков, занимающихся дополнением и переработкой стандартной модели физики частиц, мейнстримовской теории, в рамках которой места для темной материи (а равно и темной энергии), увы, не нашлось.

Лидирующие позиции в процессе обновления стандартной модели занимают теории суперсимметричных частиц. По этим теориям в природе должно существовать обширное семейство массивных частиц-суперпартнеров, и по крайней мере некоторые из этих суперпартнеров должны быть основными носителями темной материи. Главная версия текущего момента: это стабильные, нейтральные частицы нейтралино с массой в 100–1000 раз тяжелее, чем протоны, то есть в диапазоне от нескольких сотен гигаэлектронвольт (ГэВ) до 1–1,5 ТэВ (тераэлектронвольт).

Большая охота на невидимок

Супермассивные частицы, по мысли ученых, должны рождаться в столкновениях обычных частиц, разогнанных на мощных ускорителях-коллайдерах до сверхвысоких энергий (как минимум до десятков тераэлектронвольт). И после долгожданного запуска в 2008 году Большого адронного коллайдера (LHC) в швейцарском ЦЕРНе шансы на поимку неуловимых нейтралино и Ко вроде бы должны были существенно вырасти.

Однако обработанные данные последних экспериментов на LHC (по состоянию на август этого года) в очередной раз подтвердили, что низкоэнергетической суперсимметрии, при которой массы суперчастиц лежат в районе 1 ТэВ и на которую очень надеялись многие физики до запуска LHC, по всей видимости, в природе не существует.

Разумеется, эти данные отнюдь не опровергают саму концепцию суперсимметрии, она может подтвердиться при новом увеличении энергетических мощностей LHC (предположительно очередной раунд охоты на сверхмассивные частицы может начаться на женевском ускорителе приблизительно в 2015 году). Но, полагают многие исследователи, долгожданное экспериментальное открытие частиц темной материи может произойти благодаря использованию и других альтернативных методик их ловли.

Большие надежды ученые возлагают на косвенную поимку частиц по следам их одиночного взаимодействия с обычным веществом в больших объемах — по так называемому упругому рассеянию на ядрах, содержащихся в массивных телах. При таком процессе столкновения частиц их внутреннее состояние остается неизменным, а меняются лишь импульсы. В настоящее время в мире функционируют около десятка подобных экспериментальных установок. Самый долгоиграющий эксперимент — DAMA/LIBRA в Laboratori Nazionali del Gran Sasso в Италии. Он идет с 1996 года, и его участники давно и упорно утверждают, что им удалось-таки засечь частицы темной материи, хотя никаких альтернативных подтверждений эффективности их методики так и не появилось. В качестве улавливающих емкостей в экспериментах по упругому рассеянию используются огромные детекторы на жидком ксеноне, хлоре, а также бериллии и германии, расположенные глубоко под землей во избежание различных нежелательных фоновых контактов с космическими частицами.

Владимир Лукаш, например, оптимистично предположил, что тем или иным образом частицы темной материи будут экспериментально обнаружены уже в течение ближайшего года-двух. Ведь физических лабораторий и научных коллабораций, занимающихся поиском темной материи по двум альтернативным поисковым направлениям — упругому рассеянию и выявлению следов аннигиляции ее частиц между собой в космосе или в наземных установках, — насчитывается уже несколько десятков, и общая картина с охотой на темную материю сегодня очень напоминает недавние массовые поиски неуловимого бозона Хиггса. Иными словами, если темная материя все-таки существует в природе (а некоторые сомнения у ряда теоретиков-маргиналов еще остаются), благодаря постоянному усовершенствованию инструментальной базы различных детекторов и установок ее пока еще невидимое присутствие вокруг нас в самом скором времени будет зафиксировано.