Горячая темная материя

Необычная темная материя может быть трех видов: горячей, теплой и холодной. Как нам известно, субатомные частицы, называемые нейтрино, существуют в огромном множестве и представляют собой форму горячей темной материи из-за их крошечных масс и, соответственно, релятивистских скоростей. Такие экстремальные скорости позволяют им не поддаваться притяжению отдельных галактик и, возможно, даже галактических скоплений. На гораздо бо́льших масштабах нейтрино могли бы играть гравитирующую роль, но предполагаемой распространенности темной материи на галактические масштабы это не объясняет. Некоторые физики говорят о «стерильных нейтрино», которые взаимодействуют с обычной материей еще меньше, чем нейтрино, обнаруженные на сегодняшний день. Эти частицы могли бы иметь гораздо бо́льшую массу и, соответственно, меньшие скорости — достаточно низкие, чтобы подпасть под притяжение отдельных галактик. Сейчас их ищут многие, а наряду с этим ведутся поиски других слабо взаимодействующих массивных частиц — вимпов. Стратегия, получившая благосклонность и поддержку, заключается в том, чтобы разместить чувствительные детекторы частиц глубоко под землей и тем самым уменьшить назойливое фоновое влияние космических лучей. Но несмотря на десятилетия усилий, ни один эксперимент пока не привел к результату, который можно было бы повторить.

Холодная темная материя

Космологов манит идея о холодных и медленных вимпах, поскольку их наличие может объяснить очень многое: то, почему космический микроволновый фон устроен именно так, а не иначе; то, почему правы те, кто полагает, что в галактиках и галактических скоплениях присутствует темная материя; то, как именно устроены галактики в больших масштабах и то, как проходит процесс их формирования, при котором обычная материя непрерывно стремится вдоль нитей к ранее возникшим сгусткам темной материи (см. гл. 10). В число частиц холодной темной материи, существование которых пока лишь предполагается, входят более тяжелые аналоги «бродячего цирка» частиц, о котором нам уже известно. Наличие таких «теневых» частиц предсказано суперсимметричными теориями элементарной материи. Селектрино, нейтралино, фотино и гравитино — это лишь некоторые из предложенных суперсимметричных «тяжеловесов». Увы, нашим самым мощным ускорителям частиц и самым чувствительным детекторам еще предстоит совершить находки, способные подтвердить присутствие таких объектов в обозримом космосе.

Модифицированная ньютоновская динамика

Я проявил бы небрежность, если бы не упомянул в этой главе соперничающую гипотезу, способную полностью устранить необходимость в темной материи. Она получила название модифицированной ньютоновской динамики и утверждает, что сила тяжести массивного объекта уменьшается с расстоянием, которое немного отличается от знаменитого закона обратных квадратов Ньютона (о нем мы говорили в гл. 3). Есть и альтернативный взгляд: сила гравитационного притяжения могла бы оставаться ньютоновской, но реакция объекта на эту силу — его ускорение — отличалась бы от второго закона движения Ньютона, в котором a = F/m. Различия, как правило, становились бы существенными на очень больших расстояниях. Вот почему движения планет вокруг Солнца, по всей видимости, подчиняются ньютоновским ожиданиям, а движения звезд и газовых облаков во внешних частях галактик превосходят те прогнозы, которые мы делаем на основе материи, наблюдаемой в галактиках, и закона всемирного тяготения Ньютона. Кроме того, при помощи модифицированной ньютоновской динамики астрофизики пытаются объяснить некоторые подробности, связанные с кривыми вращения спиральных галактик, и сильную наблюдаемую связь общей яркости галактики со скоростью ее вращения (соотношение Талли — Фишера). Впрочем, большинство астрономов считают, что темная материя может объяснить гораздо больше.

Итак, определить темную материю и ее альтернативы нам по-прежнему не удается, несмотря на все наши попытки. Что же, пока лишь остается сказать: «Поживем — увидим».

Темная энергия

Призыв к еще одной невидимой форме материи-энергии впервые громко прозвучал в 1990-х годах, когда астрономы, работавшие с данными «Хаббла», заметили небольшое отклонение от одноименного закона Хаббла, устанавливающего связь между расстоянием до галактики и ее красным смещением (см. гл. 8). На наибольших расстояниях и соответствующих периодах аберрационного времени наблюдаемые красные смещения оказались немного меньше, чем ожидалось. Это означало, что галактики в ранней Вселенной расширялись и отдалялись друг от друга с несколько меньшей скоростью, чем та, какую мы наблюдаем в текущую эпоху. Двигаясь вперед во времени, Вселенная галактик, по-видимому, расширяется с непрестанно возрастающей скоростью. Это ускорение необходимо объяснить. Существует ли какой-то вид «отталкивающей гравитации», способный стать движущей силой этого форсированного расширения? Или происходит нечто иное?

Чтобы объяснить, почему галактическая Вселенная, которую мы наблюдаем, расширяется с ускорением, космологи привлекли новую форму материи-энергии — темную энергию. Та же самая невыразимая таинственная сила, если ее присутствие в наши дни окажется достаточно велико, легко объясняет исключительную топологическую плоскостность космоса (см. гл. 9). Более того, по-видимому, сценарии формирования галактик, а также их эволюции и объединения в группы согласуются лучше всего, если принять, что во Вселенной 73 % темной энергии, 26 % темной материи, как обычной, так и экзотической, и 1 % светящейся обычной материи — это модель Лямбда-CDM (ΛCDM), упомянутая в десятой главе.

Темная энергия многое успешно объясняла, поэтому и обрела популярность у космологов и астрофизиков. Однако остается важный вопрос — с чем мы имеем дело? Альберт Эйнштейн в своем уравнении гравитационного поля требовал положительной плотности энергии, или «давления», призванного противодействовать отрицательному давлению гравитации. Он ввел этот термин именно для данного случая, чтобы удержать Вселенную от коллапса в саму себя. Услышав, что Вселенная расширяется, Эйнштейн назвал включение этого термина самым большим просчетом в своей карьере. Сегодня мы восстановили эту космологическую постоянную (Λ) как жизненно важный компонент космоса, требующий более глубокого понимания.

Некоторые космологи полагают, что темная энергия возникает в результате расширения самого пространства. Космос неуклонно растет, и к смешению темной и светящейся материи добавляется все больше темной энергии. Это означает, что баланс темной материи и темной энергии менялся с течением времени, причем в ранней Вселенной преобладала темная материя (рис. 13.3), а в текущую эпоху эта роль перешла к темной энергии. Эту эволюцию в некотором смысле подтверждают данные о красных смещениях галактик, рассчитанных в зависимости от расстояния и соответствующего аберрационного времени. Если это время превышает 10 млрд лет, измеренные красные смещения не указывают на расширение со сколь-либо заметным ускорением, однако при более «современных» показателях аберрационного времени свидетельства ускоряющегося расширения и связанной с ним темной энергии становятся намного весомее.

Лично мне интересно, все ли вызванные гравитацией сгущения вещества, произошедшие за космологическое время, приводили к соответствующему отталкиванию уплотняющихся объектов. Возможно, здесь действует некий закон сохранения, предполагающий высвобождение гравитационной энергии. В период своего формирования галактики были бы особенно склонны к этому антигравитационному дополнению к номинальному расширению космоса (так называемому «разбеганию»).

Рис. 13.3. Баланс темной материи и темной энергии в современную эпоху по сравнению с ним же 380 000 лет назад. Считается, что по мере расширения космоса доля темной энергии в этом сочетании становилась все более высокой, пока она не стала господствующей формой материи-энергии. (Материалы любезно предоставлены Научной группой NASA / WMAP.)