Неоткрытые миры

Подтвердить существование феномена тёмной материи и привлечь к нему всеобщее внимание смогла маленькая девочка Вера, которой в 1933 году было всего пять лет. Пятилетние дети – самые честные учёные. Их любопытство к явлениям природы не замутнено карьерными соображениями, индексами цитирования и прошениями о финансовых грантах.

Маленькая девочка Вера, с одной стороны, была необыкновенной девочкой, потому что она часто задавала очень интересные вопросы; с другой стороны – она была вполне обычной девочкой, потому что ведь никто не запрещает обычным девочкам и мальчикам задавать интересные вопросы – и тем самым стать необыкновенными. Но интересные вопросы задавать совсем не легко: для этого нужно держать глаза всё время открытыми – когда не спишь, конечно, – и удивлёнными.

Едет маленькая девочка Вера на заднем сиденье автомобиля своих родителей, смотрит в окно и задает такой вопрос:

– Почему луна летит туда же, куда мы едем? Деревья и холмы летят назад, а луна движется вместе с нами. Откуда луна знает, что мы едем из Филадельфии в наш дом?

Это был такой отличный вопрос, что девочка Вера навсегда запомнила удовольствие от него, хотя и не запомнила, что ей ответили родители. И она решила, что вопросы всегда интереснее ответов, и что ей повезло – она живёт в любопытнейшем из миров.

– Мы тоже в нём живём и тоже знаем, какой он интересный! – ревниво сказала Галатея.

– Когда повзрослевшей десятилетней Вере не спалось, она не занималась глупым счётом баранов, а следила в окошко своей крохотной спальни за движением звёзд по северному небосклону. Они двигались хороводом вокруг Полярной звезды, а та важно и неподвижно висела на небе как приклеенная, чувствуя себя центром вращения мира. Девочка лежала, смотрела на движущиеся звёзды и мечтала узнать об их тайнах побольше.

Детские мечты сбываются нечасто, но в данном случае случилось удивительное: девочка Вера выросла и стала изучать именно движение звёзд – правда, не вокруг Полярной звезды, ведь это кажущееся движение, вызванное вращением Земли вокруг своей оси. Вера Рубин стала изучать движение звёзд вокруг центров галактик. Она стала опытным расшифровщиком звёздных спектров.

Научным руководителем диссертации Веры Рубин стал российский иммигрант Георгий Гамов. Родители Веры тоже были иммигрантами из бывшей Российской империи: мать из Бессарабии или Молдовы, отец – из Литвы.

В середине 1960-х годов Вера Рубин стала первой женщиной, которую пригласили в Паломарскую обсерваторию, чтобы вести наблюдения на её телескопах.

– Как это первой? – не поняла Галатея.

– До 70-х годов XX века наблюдения на крупных телескопах в Калифорнии, да и в других обсерваториях, велись только мужчинами. Разрушение этой возмутительной традиции началось с Веры Рубин. Она вместе со своим соавтором Кентом Фордом внимательно изучила вопрос о движении звёзд вокруг галактических центров. Эта тема была важной, но не сулила каких-то сенсаций – может, именно поэтому Вера за неё взялась. Она признавалась, что не любит проблем, где наблюдатели теснятся, как в переполненном вагоне. Но результаты, которые она получила, оказались сенсационными – звёзды, вместо того чтобы двигаться согласно закону Кеплера, то есть уменьшать скорость с увеличением расстояния до галактического центра, двигались примерно с одинаковой скоростью на самых различных расстояниях. Словно каждую галактику обнимало массивное облако тёмной материи, которое весило гораздо больше звёздного диска галактик и заставляло звёзды двигаться гораздо быстрее, чем им вроде бы полагалось, исходя из суммарной массы всех звёзд.

Когда учёные убедились в справедливости результатов Рубин – Форда, начались интенсивные наблюдательные и теоретические исследования природы этой тёмной материи. Что это такое?

Логично было предположить, что астрономы пропустили в космосе какие-то невидимые объекты: например, такие звёзды, как коричневые карлики: размером с Юпитер, но массой в десятки раз больше, чем у него. Действительно, совместными усилиями астрономов и космических телескопов таких звёзд было открыто огромное количество – они оказались самой многочисленной звёздной компонентой нашего Млечного Пути. Но их масса недостаточна для нужного увеличения массы нашей Галактики. Важным открытием стало обнаружение межгалактических холодных облаков, состоящих из водорода и гелия, – они имеют температуру около нуля градуса в Кельвинах и очень прозрачны, поэтому свет звёзд легко сквозь них проходит. Лишь спектральные линии, которые межгалактический водород выгрызает в звёздных спектрах, выдаёт такие невидимые облака. Их масса в скоплениях галактик оказалась в десять раз больше, чем масса всех звёзд. Но этого всё равно было недостаточно, чтобы объяснить результат Цвикки по скоплениям галактик. Может, тёмная материя состоит из крошечных – в несколько километров, – но очень массивных объектов, таких как нейтронные звёзды и чёрные дыры звёздных масс? Астрономы разработали специальную наблюдательную программу для поиска таких объектов, но после многолетних наблюдений установили, что таких объектов звёздных масс слишком мало для объяснения загадки «тёмной материи».

Может быть, «тёмная материя» состоит из элементарных частиц, которых очень много, но они не регистрируются, потому что слабо взаимодействуют с веществом?

Очень перспективным кандидатом на роль «тёмной материи» казались нейтрино – крошечные частицы, предсказанные Вольфгангом Паули в 1930 году и открытые четверть века спустя. Нейтрино вокруг нас очень много, например, через человеческий глаз каждую секунду пролетают сотни миллиардов нейтрино, рождённых на Солнце…

– Кыш, кыш! – Галатея замахала рукой перед лицом, отгоняя вездесущие нейтрино.

– Они так слабо взаимодействуют с веществом, что легко пролетают и человека, и Землю насквозь, как свет сквозь самое прозрачное стекло. Но масса нейтрино оказалась такой крошечной, что стало ясно: сильно повлиять на массу Вселенной эта элементарная частица не в состоянии. Более того, когда учёные попробовали рассчитать, какими скоростями должны обладать частицы тёмной материи, чтобы с их помощью можно было объяснить наблюдаемое вращение и структуру галактики, то оказалось, что они должны двигаться медленно, то есть тёмная материя должна быть «холодной». «Горячие» нейтрино, которые движутся почти со скоростью света, на роль такой «холодной» тёмной материи никак не годились.

Физики назвали гипотетические неуловимые частицы тёмной материи Слабо Взаимодействующими Массивными Частицами и стали искать её повсюду. Они проводили эксперименты на Большом Адронном Коллайдере в Европе, они запускали детекторы частиц на воздушных шарах над Антарктидой. В разных странах было организовано около десятка подземных лабораторий, которые спускали многотонные детекторы в шахты на глубины до двух километров, в надежде зарегистрировать там загадочные частицы. Но ничего не получалось. Детекторы частиц тёмной материи стали выводить в космос – как на отдельных спутниках, так и в качестве приборов на Международной космической станции, где для поиска частиц тёмной материи установлено бочкообразное устройство стоимостью два миллиарда долларов.

– Ну и поймала такая бочка эти частицы? – нетерпеливо спросила Галатея.

– Нет, – покачала головой Дзинтара, – частицы тёмной материи всё ещё остаются неуловимыми. Поэтому возникла собравшая немало сторонников идея, что надо изменить законы гравитации, которые действуют на масштабах галактики и всей Вселенной. Это позволит обойтись без тёмной материи, но цена такого решения будет велика: придётся отказаться от проверенной и красивой теории Эйнштейна – Ньютона.

В 2015 году детектор гравитационных волн ЛИГО поймал первую в истории гравитационную волну от слияния двух чёрных дыр с массой в 29 и 36 масс Солнца. Этот результат поразил учёных: оказывается, в космосе существует большое количество чёрных дыр, гораздо более тяжёлых, чем обычные дыры звёздных масс! Сразу возникло предположение, что тёмная материя – это большое количество чёрных дыр в десятки масс Солнца. Но откуда взялись такие массивные чёрные дыры, ведь обычные модели звёздной эволюции их не предсказывают? Появилась смелая гипотеза, что эти чёрные дыры пришли к нам из предыдущего цикла Вселенной, потому что чёрные дыры – это единственные макроскопические объекты, которые могут пережить коллапс мира и, пройдя через огненную фазу максимально сжатой Вселенной, попасть в следующий цикл её жизни.