Тайны открытий XX века
Шрифт:
В 2000 году группа исследователей, работавших на итальянском детекторе DAMA под Римом, уже заявляла, что им удалось, наконец, обнаружить некие массивные частицы, из которых, наверное, и состоит темная материя. Однако это заявление не подтвердилось.
Компьютерный анализ распределения темной материи, проделанный пару лет назад американским физиком Чанг-Пэй Ма, показал, что она не рассеяна во Вселенной беспорядочно. Она во многом ведет себя, как обычная материя. Она образует галактики разной протяженности, причем преобладают небольшие галактики. Словно тени, они движутся среди обычных галактик, незримо сопровождая их. В этих галактиках может существовать множество звезд, в недрах которых никогда не начнутся термоядерные реакции.
«В отличие от барионной материи, которая концентрируется к центру Галактики, образуя классический диск, — пишет на страницах журнала «Наука и жизнь» российский астроном Л. Ксанфомалити, — темная масса распределена более равномерно в гало, охватывающем Галактику гигантской сферой.
В этом смысле вокруг и внутри нашей звездной системы находится еще одна галактика».
Различные эксперименты, быть может, позволят прояснить природу темной материи. Так, в 2005 году астрофизики из Вюрцбургского университета, анализируя данные, собранные Комптоновской обсерваторией (в 1991 — 2000 годах она вела наблюдение за гамма-вспышками), обратили внимание на то, что преобладает гамма-излучение определенного уровня энергии. Но именно так должно распределяться гамма-излучение, если в его источнике происходит аннигиляция нейтралино. Что это, первый след Неведомого Невидимого?
Было время, когда ученые говорили, что «во Вселенной есть невидимое вещество», «немалая часть Вселенной сложена из неизвестной для нас материи», «большая ее часть», «90 процентов»… И вот — последний вывод: 95 процентов! Читатель, подобно автору, живущий в стандартной двухкомнатной квартире, легко поймет астрономов, если представит себе, что все в его обители вдруг растворилось в воздухе, и лишь какой-то клочок пространства, к примеру, любимый «обломовский» диван, он еще может разглядеть.
Окружающий мир долго казался нам удивительно знакомым. Его слагали камень и металл, воздух и вода. Там, за горизонтом, материальный мир продолжался… Внезапно мир распался. Теперь его составляли отдельные «чистые сущности» — стихии, не соединяемые друг с другом.
Очевидно, темная материя играла особую роль на ранней стадии существования Вселенной, когда она образовывала первые сгустки, вокруг которых скапливалась обычная, видимая нами материя. Со временем эти сгустки превратились в галактики и галактические скопления.
Их расположение очень причудливо. Галактики напоминают бусины, нанизанные на нитки. Между ними зияют огромные пустоты. Мироздание, как кто-то остроумно заметил, похоже на мириаду мыльных пузырей, улетающих вдаль.
Существование темной материи подтверждают не только выкладки теоретиков, но и результаты астрономических наблюдений. В последние десять лет с помощью Космического телескопа имени Хаббла не раз удавалось наблюдать близ галактических скоплений огромные светящиеся дуги, арки или круги. Ведь масса этих скоплений так велика, что отклоняет свет, излучаемый лежащими за ними звездными системами. Астрономы говорят о так называемых «гравитационных линзах». Как показали вычисления, масса этих «линз» должна быть раз в 60 больше суммарной массы звезд, образующих подобные скопления. Таким образом, эти «линзы», предположительно, состоят в основном из темной материи.
Открытие темной энергии
Еще в 1917 году, описывая Вселенную, Альберт Эйнштейн ввел в формулу «космологическую константу» — энергию, свойственную пространству как таковому. В то время ученые были убеждены в статичности Вселенной. Без этой же константы Вселенная неминуемо расширялась или сжималась. Константа уравновешивала действие гравитационных сил, но ее существование удалось доказать лишь в 1998 году.
В конце XX века ученым пришлось вспомнить о самоуправстве Эйнштейна, в котором сам ученый впоследствии раскаивался, называя изобретенную им константу «величайшей глупостью». Теперь в научных кругах утвердилась уверенность в том, что существует некая «энергия», определяющая судьбу Вселенной, ее ускоренное расширение. Неизвестный вид энергии заполняет все пространство — «словно легкий туман», говорят физики, -~ и вызывает взаимное отталкивание материи. Эта энергия, своего рода «антигравитация», соответствует «космологической константе» из уравнений Эйнштейна. Правда, величина ее все-таки не постоянна, однако это не умаляет «последнего триумфа Эйнштейна», как выразился немецкий физик Гюнтер Хазингер, лауреат премии имени Лейбница за 2005 год.
Впрочем, природа этой энергии остается во многом загадочной; она не может быть объяснена с позиций Стандартной модели физики, поэтому ее и назвали «темной энергией». Это определение дал ей в 1998 году Майкл Тернер, астрофизик из Чикагского университета.
«Обнаруженная темная энергия оказалась распределенной в пространстве на удивление однородно, — пишет на страницах журнала «Вокруг света» физик Сергей Рубин, — но если бы эта энергия была заключена в каких-то неведомых частицах, то гравитационное взаимодействие заставило бы их собраться в грандиозные конгломераты, подобные галактикам. Следовательно, энергия спрятана в пространстве-вакууме». Вселенная в основном наполнена ей. Планеты, звезды, галактики — это редкие островки, затерянные посреди моря, моря «темной энергии».
Общая масса этого вида материи должна быть невероятно велика, но, поскольку темная энергия разлита по всему мирозданию, ее плотность, как показывают расчеты, не превышает четырех электронвольт на кубический миллиметр. Для сравнения: масса покоя одного электрона равна 511 тысячам электронвольт.
Открыли эту самую великую и неприметную стихию сразу двумя способами: наблюдая за отдаленными вспышками сверхновых звезд и исследуя космическое фоновое излучение.
Светимость сверхновых звезд типа 1а (это белые карлики с массой до 1,4 массы Солнца, сжавшиеся до размеров Земли) всегда одинакова. Лишь по мере удаления от них видимая яркость их ослабевает. Однако далекие сверхновые звезды светят слабее, чем требует теория. Наблюдения за ними позволили сделать вывод, что Вселенная расширяется все быстрее, а значит, эти сверхновые звезды находятся от нас дальше, чем предсказывали теоретики.
Окончательно сомнения развеяло открытие американского астронома Адама Раиса и его коллег из Space Telescope Science Institute. Исследуя фотоснимки, сделанные Космическим телескопом имени Хаббла, Райе обнаружил самую далекую из известных нам сверхновых звезд: SN 1997ff. Расстояние до нее — 10 миллиардов световых лет. Ее светимость точь-в-точь такова, как того требует теория «расширяющейся Вселенной», но иная, нежели допускают гипотезы скептиков.
В ту отдаленную эпоху Вселенная расширялась медленнее, чем теперь. Силы гравитации сдерживали бег видимой материи. «Судя по поведению сверхновой SN 1997ff, наша Вселенная напоминает обычного автомобилиста: она то тормозит, увидев впереди красный свет, то залихватски мчится, заметив зеленый», — поясняет Райе. Роль светофора поочередно выполняли гравитация и антигравитация. Около пяти миллиардов лет назад последняя — то бишь темная энергия — победила. С тех пор Вселенная расширяется все быстрее. «Результаты астрономических наблюдений, — иронизировал на страницах журнала «Знание — сила» B.C. Барашенков, — убеждают в том, что наш мир катится в будущее с разгоном, как санки с крутой горки!»
Впрочем, это исследование не позволило точно определить содержание темной энергии во Вселенной, хотя и стало ясно, что она преобладает над остальными формами материи. Теперь судьба Вселенной всецело зависит от темной энергии.
…Параллельно этой работе шли исследования фонового космического излучения. Телескопы «Бумеранг» и «Максима», установленные на аэростатах, доказали, что Вселенная имеет плоскую форму. Телескоп DASI («Degree Angular Scale Interferometer»), размещенный в Антарктиде сотрудниками Чикагского университета и Калифорнийского технологического института, не только подтвердил плоскую форму Вселенной, но и позволил в 2001 году оценить содержание в ней темной энергии.