Дмитрий Вибе: Кому платить за свет знаний Дмитрий Вибе Опубликовано 31 января 2013 годаКоллега Сергей Попов в своём ЖЖ поднял два вопроса относительно организации научно-популярных лекций силами действующих учёных (то, что иногда называется «Трибуной учёного»): имеет ли

print

В феврале 2003 г. американские ученые вынесли на суд научной общественности "детское фото" нашей Вселенной - карту реликтового излучения, которая позволяет заглянуть в догалактическую эпоху, непосредственно последовавшую за Большим Взрывом. С ее помощью астрономы попытались с максимальной возможной точностью ответить на вопрос, из чего сделан Космос. Ответ оказался неутешительным: лишь 4% массы Вселенной приходятся на понятное нам "обычное" вещество, состоящее из атомов. На остальные 96% она состоит из субстанций с простыми, но звучными именами - темная материя (23%) и темная энергия (73%). Что, кроме названий, известно о них на сегодняшний день?

Наука за последние сотни лет нанесла несколько ощутимых ударов по самосознанию человека. Сначала из центра Вселенной была удалена "колыбель человечества" Земля, потом - Солнце. Затем выяснилось, что наша Галактика - не единственная в Космосе, и даже не самая большая, а всего лишь один из многих миллиардов звездных островов, расположенный то ли на задворках крупного скопления галактик, то ли вообще за его пределами - этакая глухая вселенская провинция, преисполненная сознания собственной важности, но безнадежно далекая от метрополии.

Но если на Земле провинциал всегда может найти утешение в мечтах о столице, во Вселенной мы, как выясняется, лишены даже этой возможности. Не только города и страны, большие и малые, бедные и богатые, но и вся Земля, и Солнце, и Млечный Путь, и все галактики оказались вдруг лишь блестящим налетом, тонкой позолотой на таинственной, непроницаемо черной основе. Взлеты и падения цивилизаций, образование и разрушение планет, взрывы звезд и столкновения галактик, а также все прочие события, которые, как нам кажется, заполняют Вселенную, на самом деле имеют к ее жизни такое же отношение, какое узкая полоса прибоя имеет к жизни Мирового Океана.

Межзвездное пространство не пусто

При простом взгляде на звездное небо довольно трудно предположить, что кроме звезд и планет во Вселенной есть что-то еще. Однако чуть более пристальное изучение доказывает, что это не так. По-видимому, одним из первых астрономов, покусившихся на пустоту, был российский ученый В.Я.Струве, основатель Пулковской обсерватории. В середине XIX века он обнаружил, что количество звезд в единице объема убывает с удалением от Солнца. Ученый связал это убывание с тем, что на пути к наблюдателю свет звезд ослабевает пропорционально пройденному расстоянию в результате взаимодействия с каким-то веществом. Поначалу это поглощающее вещество было названо темным.

Прилагательное "темный" в астрономии используется по своему прямому значению - "несветящийся". Поскольку единственным источником информации о дальнем космосе для нас является свет, заодно очень уместным оказывается и другое значение слова "темный" - неясный, непонятный. В наше время природа межзвездного поглощающего вещества никаких сомнений уже не вызывает - это просто пыль, микроскопические частички, состоящие из соединений углерода и кремния. Пыль рассеяна в пространстве неравномерно. Она собрана в плотные облака, которые почти полностью блокируют свет расположенных за ними звезд. На фоне звездной россыпи такие облака видны, как черные беззвездные провалы. По старой памяти астрономы все еще называют такие облака темными, хотя это и несправедливо. Пыль не только поглощает излучение звезд, но и сама светится, правда, не в видимом, а в инфракрасном, субмиллиметровом и радиодиапазонах. Но никаких принципиальных трудностей регистрация этого излучения у современных астрономов не вызывает.

С появлением радиотелескопов стало ясно, что пыль - не главный "наполнитель" пространства между звездами. На каждый грамм пыли в межзвездном пространстве приходится 100 граммов газа, который представляет собой главным образом смесь водорода и гелия. И если внутри галактик в межзвездном газе сосредоточено всего несколько процентов массы (остальное собрано в звездах), то в пространстве между галактиками газа гораздо больше. В скоплениях масса межгалактического газа в несколько раз превышает суммарную массу самих "звездных островов". Может показаться, что галактические рои правильнее было бы называть не скоплениями галактик, а гигантскими облаками газа с небольшой звездно-галактической "примесью". Но даже такая уничижительная формулировка не отражает истинного положения вещей!

Темная материя

Наш мир - это царство гравитации. Из всех фундаментальных сил она одна обладает дальнодействием, достаточным для преодоления космических расстояний. Поэтому основной характеристикой любого астрономического объекта является его масса. Ее можно оценить как по наблюдениям самого объекта (например, массу звезды можно приближенно определить по форме линий в ее спектре), так и по гравитационному действию, которое он оказывает на другие объекты. Если оценки, полученные двумя этими способами, приблизительно совпадают, значит, с нашими теоретическими представлениями о природе объекта все в порядке. Их расхождение указывает на то, что мы чего-то не понимаем или что-то упускаем из виду. Сильное расхождение в двух оценках массы является вероятным признаком каких-то очень крупных заблуждений.

Но какие могут быть сложности с представлениями о структуре, скажем, скоплений галактик? Вот они - галактики, видны даже в небольшой телескоп. Вот он - горячий газ, заполняющий пространство между ними. Его, правда, в обычный телескоп не увидишь, но с помощью рентгеновских телескопов этот газ наблюдался уже неоднократно. Находим суммарную массу всех галактик, прибавляем к ней массу газа и получаем полную массу скопления. Для типичного скопления галактик, скажем, скопления в созвездии Девы, эта масса равна нескольким десяткам триллионов солнечных масс.

Массу скопления галактик можно определить и другим способом. Единственная сила, которая связывает скопление в единое целое, - это гравитация. Для скопления галактик, как и для Земли, существует вторая космическая скорость. Если скорость галактики превышает "вторую космическую" для данного скопления, галактика способна вырваться из его гравитационных объятий и отправиться в свободный полет. Величина скорости зависит от массы скопления: чем массивнее скопление, тем быстрее должна двигаться галактика, чтобы покинуть его.

Еще в 30-е годы XX века американский астроном Фриц Цвикки обратил внимание на то, что галактики в скоплениях движутся быстрее второй космической скорости! Скопления со столь стремительно передвигающимися членами попросту не могут существовать. Но они существуют, а значит в чем-то мы ошибаемся. Но как можно ошибиться, если все скопление лежит перед нами как на ладони? Или не все?

Результат Цвикки означал, что всей видимой массы типичного скопления недостаточно, чтобы удержать входящие в него галактики от разлета. Значит, решил Цвикки, в скоплениях галактик имеется также и невидимое вещество, которое никак не проявляет себя в излучении, но вносит существенный, а точнее сказать, определяющий вклад в гравитационное поле скопления. Чтобы объяснить высокие галактические скорости, приходится предположить, что "темного" вещества в скоплениях галактик в десяток раз больше, чем "светящегося" вещества всех видов. Вот и получается, что скопление галактик на самом деле представляет собой скопление не галактик и не газа, а конденсацию непонятно чего с небольшой примесью газа и галактик. Проблема выяснения природы этой загадочной сущности с тех пор известна в астрономии как проблема скрытой массы, а саму эту сущность называют темным веществом или темной материей.

Позже выяснилось, что не только скопления галактик, но и сами галактики содержат скрытую массу. Как известно, наша Галактика (точнее ее видимая часть!) представляет собой плоский вращающийся газо-звездный диск. Солнце удалено от центра Галактики на 25000-30000 световых лет и совершает полный оборот примерно за 200 млн. лет, двигаясь по своей галактической орбите со скоростью около 220 км/с. Светящееся вещество в диске сильно сконцентрировано к ядру Галактики. Сила тяготения, управляющая орбитальным движением звезд, как известно, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, поэтому логично предположить, что звезды на периферии диска, далеко от основной массы Галактики, будут двигаться медленнее, чем звезды, близкие к ядру.

Увы, в 70-е годы XX века выяснилось, что ни в нашей, ни в других похожих галактиках это внешне логичное предположение не выполняется. Даже очень далекие от центра звезды и газовые облака несутся по своим орбитам с большими скоростями, словно не желая знать, что там, где они находятся, галактика уже практически закончилась. Где же источник этого тяготения в пространстве, которое кажется почти пустым? Ответ был найден быстро. Если скрытая масса есть в скоплениях галактик, почему не быть ей и в самих галактиках? Необходимое количество темного вещества - примерно то же, что и в скоплениях. Например, чтобы описать движение звезд на окраинах нашей Галактики, нужно допустить, что она окружена обширным "темным гало", размеры и масса которого по меньшей мере в несколько раз превосходят размеры и массу видимого диска.

Поначалу многим ученым предположение о существовании темного вещества казалось чересчур искусственным. Однако к настоящему времени о нем накоплено так много наблюдательных данных, что отмахнуться от скрытой массы, по-видимому, все-таки не удастся. Осталось только выяснить, что она из себя представляет. По счастью, теория не стоит на месте, и в настоящее время на роль темного вещества присмотрено уже несколько кандидатов.

Конечно, с точки зрения простоты хотелось бы предположить, что темное вещество состоит из привычных астрофизикам объектов, которые обладают массой, но при этом либо не излучают совсем, либо излучают настолько слабо, что в современные астрономические инструменты видны лишь на очень небольшом (в галактических масштабах) расстоянии. Таких объектов ученым известно множество: коричневые и белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры, планеты, компактные газовые облака. Поскольку все они состоят или состояли в прошлом из обычных протонов и нейтронов, которые в физике обобщенно называются барионами, сформированное из этих объектов темное вещество называется барионным.

К сожалению, очень трудно объяснить, откуда бы вокруг Галактики могло взяться большое количество подобных объектов. Каждый из них возникает не на пустом месте и до превращения в темное вещество оставляет в эволюции галактики тот или иной след. Допустим, например, что темное гало состоит из нейтронных звезд. Они представляют собой остатки массивных звезд, которые завершают свой жизненный путь грандиозным взрывом - вспышкой сверхновой. Вряд ли взрыв миллиардов сверхновых вокруг Галактики мог пройти для нее бесследно.

Поэтому сейчас предпочтительной считается гипотеза о небарионном темном веществе, состоящем из особых, пока не известных элементарных частиц, которые обладают специфическим набором свойств, в частности, почти не взаимодействуют с "обычным" веществом и потому до сих пор избегают обнаружения. Одно время считалось, что темной материей могут оказаться нейтрино, однако результаты последних экспериментов и наблюдений на нейтринных телескопах доказывают, что масса нейтрино хотя и не равна нулю, но все-таки слишком мала, чтобы списать на нее все "пропавшее" вещество.

Нейтралино - ваш надежный суперпартнер!

Скорее всего, речь все-таки идет о частицах нового типа. Нужно отметить, что физиками существование таких частиц не только не отрицается, но напротив всячески приветствуется, поскольку согласуется с уточненными за последнее время представлениями о строении вещества, в частности, о двух основных видах элементарных частиц - фермионах и бозонах. В нашем сравнительно холодном мире сама материя состоит из фермионов (например, протонов и нейтронов), а бозоны (например, фотоны) обеспечивают перенос взаимодействия между ними. Но при очень высокой температуре, по сравнению с которой меркнет даже температура в звездных недрах, разница между частицами материи и частицами-переносчиками стирается, и они начинают вести себя одинаково. Теория тождественности фермионов и бозонов при высоких температурах носит название теории суперсимметрии. Об энергиях, необходимых для ее экспериментальной проверки, физики пока могут только мечтать, но они уверены, что доказательства суперсимметрии осталось ждать несколько лет. Большая работа в этом направлении ведется во многих лабораториях мира, в частности на российских нейтринных обсерваториях в Баксане (Северный Кавказ) и на Байкале.

Между тем, в Природе эксперимент по получению элементарных частиц сверхвысоких энергий уже проведен! Правда, закончился он довольно давно, больше 10 млрд. лет назад, но следы его проведения окружают нас со всех сторон, да и сами мы являемся ничем иным, как итогом этого грандиозного эксперимента, названного учеными Большим Взрывом! Теория суперсимметрии предсказывает, что в первые доли секунды после рождения Вселенной все ее частицы были равны и одинаковы, но затем Вселенная расширилась, остыла, и равенства в ней не стало... Интересно, что наряду с протонами, нейтронами, электронами, фотонами, нейтрино и другими известными элементарными "кирпичиками" теория суперсимметрии предсказывает рождение целого зоопарка неизвестных частиц. Впрочем, скорее стоит говорить не о зоопарке, а о ковчеге - эти неизвестные частицы образуют пары с известными частицами: у каждого фермиона есть парный с ним бозон и наоборот. Чтобы подчеркнуть суперсимметричность этого сообщества, такие пары называются суперпартнерами.

Все гипотетические частицы - суперпартнеры известных частиц - имеют общее свойство: они очень слабо взаимодействуют с обычным веществом, значительно превосходя в этом отношении даже всепроникающие нейтрино. На научном жаргоне их иногда называют "вимпами", от английского сокращения WIMP - "weakly interacting massive particles", то есть слабовзаимодействующие массивные частицы. Увидеть вимпы очень сложно, но их можно "почувствовать" - как и все, обладающее массой, они создают вокруг себя гравитационное поле. После Большого Взрыва подобных частиц должно было остаться огромное количество, и их совокупное гравитационное влияние вполне могут ощущать на себе целые галактики. Вот вам и темное вещество! Этот факт весьма знаменателен, ибо наглядно демонстрирует, как свойства гигантских скоплений галактик и вообще макромира могут быть связаны со свойствами микромира.

Наиболее вероятным претендентом на роль темного вещества считается самая легкая суперсимметричная частица нейтралино, масса которой превышает массу протона в сотню раз. С ней и другими вимпами конкурирует другая невидимая частица - аксион, - существование которой предсказывается другой современной физической теорией - квантовой хромодинамикой.

Наша Галактика и другие звездные системы погружены в облака из нейтралино, аксионов и других невидимых частиц. Эти облака, как сейчас считается, в догалактическую эпоху послужили гравитационными "затравками", на которые стягивалось обычное вещество, ставшее строительным материалом для первых поколений звезд. На научном языке эти затравки называют первичными флуктуациями плотности. И хотя со времен их возникновения утекло много воды, свойства этих флуктуаций навеки запечатлены в виде пространственных вариаций интенсивности реликтового излучения. Именно изучая эти вариации, ученые установили, что только 4% массы Вселенной приходятся на обычное атомное вещество. Еще 23% заняты небарионной темной материей (нейтралино, аксионы и пр.). Что представляют из себя оставшиеся 73%? Мы можем считать себя акционерами АООТ "Вселенная", которые на очередном собрании обнаружили, что им даже приблизительно неизвестно, кому принадлежит контрольный пакет!

Самый большой промах Эйнштейна

Одно из предсказаний эйнштейновской теории относительности состояло в том, что Вселенная не может существовать вечно. Действительно, если признать ее царством одной только гравитации, то есть притяжения, нужно согласиться и с тем, что со временем все вещество во Вселенной должно стянуться в одну точку. Самому Эйнштейну эта перспектива не нравилась настолько, что он насильственно ввел в свои уравнения так называемый лямбда-член - гипотетическое "всемирное отталкивание", которое должно было противодействовать всемирному тяготению. Однако в 1929 г. выяснилось, что Вселенная расширяется. Это означало, что взаимному притяжению галактик противостоит их разбегание, порожденное Большим Взрывом, а необходимость во взаимном отталкивании как будто бы отпадает. Широко известно признание Эйнштейна, сделанное им советско-американскому астрофизику Георгию Гамову, что он считает изобретение лямбда-члена своим самым большим промахом. Но шло время, и эта ошибка перестала быть столь очевидной: как пишет тот же Гамов, космологическая постоянная "продолжает поднимать свою гадкую голову". Правда, теперь у нее появилось множество других имен - антигравитация, квинтэссенция, энергия вакуума и, конечно, темная энергия.

Открытие нестационарности Вселенной заставило ученых (и не только их) задуматься о том, чем закончится ее расширение. Дальнейшую судьбу нашего мира удобно характеризовать, сравнивая среднюю плотность вещества во Вселенной с неким критическим значением. Если плотность больше критической, силы гравитации рано или поздно остановят разлет галактик, и он сменится всеобщим сжатием, которое снова стянет Вселенную в точку. Если плотность меньше критической, расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно... На сегодняшний день наблюдаемые свойства Космоса наилучшим образом описываются так называемой инфляционной теорией, в разработке которой большую роль сыграли советские и российские физики. Согласно ей, в первые доли секунды своего существования Вселенная испытала катастрофическое "раздувание" (именно так переводится с английского языка слово "inflation"), в ходе которого ее размер увеличился в 10 50 раз. Все неоднородности и искривления, которые наличествовали во Вселенной до этого, в процессе раздувания разгладились - именно поэтому так и вышло, что мы живем в таком однородном и плоском (в геометрическом смысле!) мире.

Инфляционная теория среди прочего предсказывает, что средняя плотность вещества во Вселенной должна быть в точности равна критической. Собственно говоря, именно относительно критической плотности и рассчитаны все проценты, которые уже неоднократно упоминались в этой статье. Проблема очевидна - после выскребания всех сусеков в космическом пространстве удалось набрать вещества лишь на 27% критической плотности. Где взять оставшиеся 73%?

Что ж, в пространстве не осталось вещества, но осталось само пространство. Почему мы должны считать, что оно ничего не весит? Подобно тому, как в геодезии все высоты отсчитываются от некоего нулевого уровня (в России - от нуля кронштадтского футштока), в физике можно считать, что все энергии отсчитываются от нулевой энергии - энергии вакуума, которая вовсе не обязана быть равной нулю. В этой изначальной энергии и может быть скрыта недостающая плотность. Поскольку раньше астрономы уже назвали невидимое вещество темной материей, показалось логичным применить тоже прилагательное и к невидимой энергии.

Ускорение Вселенной

Может показаться, что концепция темной энергии, что называется, "притянута за уши": вместо того чтобы честно признаться в провале инфляционной теории, да и всей космологии Большого Взрыва, ученые приписывают энергию пустоте! Чтобы избежать подобных обвинений, необходимо выяснить, какими свойствами должна обладать темная энергия, и попытаться обнаружить эти свойства в результатах астрономических наблюдений. И такие результаты были получены! В 1998 году группа американских астрономов под руководством Адама Риса сообщила о знаменательном факте - Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением. К этому выводу ученые пришли, наблюдая взрывы сверхновых в далеких галактиках.

Большинство способов измерения расстояния в астрономии основано на сравнении видимой яркости объекта с его истинным блеском, который, конечно, должен быть известен. Источники с известной истинной яркостью называют "стандартными свечами". Сверхновые типа Ia, связанные, как полагают, с термоядерными взрывами на белых карликах, видны на очень больших расстояниях и отличаются завидным постоянством блеска, что делает их незаменимым инструментом для измерения космологических расстояний.

С другой стороны, в близких (по космологическим масштабам) окрестностях нашей Галактики действует закон Хаббла - расстояние до галактики прямо пропорционально скорости ее движения по лучу зрения. Лучевую скорость легко определить по спектру - эффект Доплера сдвигает линии в красную часть спектра, если источник удаляется от нас, и в синюю часть, если источник приближается. Поскольку величина сдвига пропорциональна скорости, закон Хаббла позволяет по спектральным наблюдениям оценивать расстояние до далеких объектов - при условии, что далеко от Млечного Пути расширение Вселенной подчиняется тем же закономерностям, - или выявлять отклонения от этих закономерностей.

Именно к этому способу и прибегли Рис и его коллеги. По видимой яркости нескольких сверхновых они определили расстояние до них - оно оказалось весьма значительным, несколько миллиардов световых лет. Затем с помощью закона Хаббла вычислили скорость, с которой должны были бы удаляться от нас эти сверхновые, если бы расширение Вселенной несколько миллиардов лет назад происходило с той же скоростью, что и сейчас. Реальная скорость сверхновых оказалась существенно ниже значения, предсказанного законом Хаббла - сейчас Вселенная расширяется быстрее, чем несколько миллиардов лет назад!

Ученые легко восприняли бы обратный результат - во Вселенной, которая подчиняется закону всемирного тяготения, логично ожидать, что расширение со временем замедляется. Но ускорение означает, что помимо притяжения во Вселенной действительно существует и сила отталкивания, или попросту антигравитация, причем в настоящее время на космологических расстояниях она явно превосходит гравитацию. Учитывая сенсационность этого вывода, в результатах группы Риса многие ученые, включая и самих авторов этого открытия, пытались найти ошибку, но пока эти попытки успехом не увенчались. Приходится признать, что темная энергия действительно существует! Тем более, что ее количество, вычисленное по наблюдениям сверхновых, совпало с тем, что было оценено по наблюдениям флуктуаций интенсивности реликтового излучения - порядка 70%.

Новые способы сравнения теоретических предсказаний космологии с данными наблюдений появились у ученых благодаря накопленным в последние годы данных о координатах сотен тысяч галактик. В феврале 2002 г. ученые из Великобритании оценили значения всех основных космологических параметров, скомбинировав данные о реликтовом излучении с характеристиками крупномасштабного распределения 250 тыс. галактик, расстояния до которых были определены в ходе выполнения обзора 2dF на Англо-Австралийском телескопе. Вычисленные значения прекрасно согласуются с данными других исследований. И в этой работе оказалось невозможным обойтись без темной энергии! Совершенно независимо от результатов группы Риса Джордж Эфстатиу и его коллеги оценили, что ее вклад в полную плотность Вселенной равен 65-85%.

Темна вода во облацех

Космология давно уже перестала быть "чистой наукой". В основе современных представлений о строении и эволюции Вселенной лежит значительный объем наблюдательных и экспериментальных данных. Об этом нужно помнить тем, кто считает себя готовым к созданию собственной Теории Мироздания. Часто приходится слышать о том, что "официальная" наука нетерпима к новым идеям и упрямо отвергает все то, что не вписывается в сложившуюся систему знаний. История становления космологии - прямое опровержение этого тезиса. На разных ее этапах спокойно обсуждались и до сих пор обсуждаются такие, например, странные гипотезы, как переменность фундаментальных постоянных - гравитационной постоянной, скажем, или даже скорости света. Некоторые из этих гипотез канули в Лету, другие продолжают существовать, обрастают экспериментальными доказательствами и новыми сторонниками.

Какая судьба ждет темную материю и темную энергию? Не появится ли через десяток лет более успешная физическая концепция, в которую впишутся и странности в движении галактик, и свойства реликтового излучения? Пока более или менее реальная альтернатива имеется только у гипотезы о темной материи. Это так называемая теория МОНД - Модифицированная Ньютоновская Динамика, разработанная в середине 1980-х годов израильским физиком М. Милгромом. Согласно этой теории, обычная запись закона всемирного тяготения - с обратной пропорциональностью квадрату расстояния - действует лишь до определенного предела. Если ускорение тела, вызываемое силой гравитации, оказывается меньше примерно 10 -10 м/с 2 , в закон всемирного тяготения нужно вносить поправку, которая и объясняет странное движение звезд на окраинах спиральных галактик. К сожалению, у теории МОНД отсутствует релятивистское продолжение, поэтому она неспособна объяснить явления, выходящие за рамки простых динамических задач.

В целом, нужно признать, что темная материя и темная энергия, которые поначалу были лишь гипотетическими концепциями, введенными в теорию, чтобы примирить ее с наблюдениями, очень хорошо вписываются в современную картину мира. Немаловажно, что с их помощью ученым удалось связать между собой два полюса физики - космологию и физику элементарных частиц. Тем не менее, прямое экспериментальное обнаружение двух этих сущностей остается делом будущего. Пока этого не произошло, будем готовы к любым неожиданным поворотам!

107 Responses to Дмитрий Вибе. Темная материя и темная энергия

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом.