Страница 9 из 43
Тайна темной материи
Одна из самых интригующих загадок, доставшаяся XXI веку в наследство от века XX, — это, конечно, природа темной материи, или, как ее еще называют, скрытой массы (об этом ВС подробно писал в № 11 2003 года). В самом деле, тот факт, что во Вселенной есть некая невидимая материя, которая явно имеет массу, но которую никакими доступными способами ученые пока зафиксировать не могут, сомнений не вызывает. Не будь таковой, не только звездное небо выглядело бы совершенно иначе, но, возможно, звезд, планет и самой жизни к настоящему времени не было бы. Доказательств тому, что во Вселенной существуют объекты, представляющие собой области с повышенной плотностью неизвестного вещества, причем явно тяжелого — гравитирующего, набралось к настоящему времени предостаточно. И они, эти доказательства, все появляются.
Обнаружены скопления звезд и галактик, которые удерживает друг около друга непонятная, вероятнее всего, гравитационная сила. Расчеты показывают, что удержать это скопление в видимой нам конфигурации может материя, простирающаяся за видимые границы скопления, — так называемое темное гало. Есть и явления гравитационного линзирования и микролинзирования, когда скрытая масса обнаруживает себя, искажая изображения источников излучения или меняя их интенсивность, благодаря чему светящиеся космические объекты как бы «подмигивают» нам.
Сомнений в том, что Вселенная более или менее равномерно заполнена невидимой для нас материей, у астрономов нет. Эта ненаблюдаемая масса, по расчетам, выполненным на основании данных о материи наблюдаемой, составляет более 90% всей массы во Вселенной. Сделаны и другие расчеты, в том числе на основе данных по линзированию и микролинзированию, которые позволили создать карту темной материи, где указана плотность скрытой массы в различных участках Вселенной, в том числе и в нашей Галактике. На долю же материи, которую мы наблюдаем, приходится меньше 10% массы Вселенной. Из чего же сделано все остальное?
На этот вопрос ответа до сих пор нет. Зато есть масса гипотез, среди которых и гипотеза о том, что темная материя, во всяком случае, часть ее, может быть зеркальной.
Невидимое — не значит несуществующее
Зеркальная материя — очень хороший вариант для объяснения природы темной материи, потому что она удовлетворяет двум главным признакам. Во-первых, гравитационно она с нашей, видимой, материей взаимодействовать может. Во-вторых, само зеркальное вещество мы увидеть неспособны по определению. Наши глаза воспринимают электромагнитное излучение от предметов, но как раз этот тип взаимодействия между нашим и зеркальным миром невозможен.
Другой вопрос, вся ли темная материя — зеркальная? Тут мнения ученых не совпадают. Большинство склоняется к тому, что эта субстанция — лишь часть общей массы темной материи, которая может быть наряду с объектами зеркального мира представлена объектами совершенно иной природы — и черными дырами, и бурыми карликами, и скоплениями нейтрино, и всякими разными частицами, более или менее гипотетическими или еще не придуманными. Но прямого равенства масс обычной и зеркальной материи, как это следует из логики рассуждений, ученые отнюдь не ожидают, полагая, что последняя может составлять и 10%, и 90% от общей массы вещества Вселенной. Сколько именно — пока вопрос совершенно умозрительный. Ведь мнения специалистов расходятся даже о доле обычной, наблюдаемой, материи: то ли ее 5%, то ли 10%. Если симметрия абсолютная и распределение массы между барионным (видимым веществом) и небарионным в зеркальном мире происходит таким же образом, как у нас, то на долю зеркальной материи приходятся те же 5 или 10%.
Но может быть ее больше. В макромасштабе строгая симметрия необязательна, в конце концов, в нашем мире между материей и антиматерией точного весового равенства нет.
Еще один важный вопрос — могут ли существовать компактные объекты из зеркальной материи, и если да, то где они находятся?
По мнению Льва Окуня, зеркальная материя способна, так же как и материя обычная, образовывать атомы, молекулы, а при благоприятных космологических условиях — звезды, планеты и жизнь. Но где же они, эти зеркальные объекты? Предположение, что Земля наполовину состоит из обычной материи, а наполовину — из зеркальной, неверно. Это доказали и сам Окунь, и другие исследователи — Сергей Блинников, Максим Хлопов, которые рассматривали вопрос о возможном существовании зеркального вещества в пределах Солнечной системы. Создав первую космогонию для зеркальной материи еще в 1979 году, ученые показали, что внутри Земли ее практически нет, а внутри Солнца могло бы быть совсем чуть-чуть — одна миллионная доля по массе, не больше.
Ведь материя, из которой сделана Земля, существует как единое целое именно благодаря атомарным и молекулярным, то есть, по сути, электромагнитным силам, которые и присоединяют частички друг к другу. У зеркальных частиц по отношению к нашим таких сил нет.
А что, если допустить образование двух одинаковых планет земного типа — из обычного вещества и зеркального — в одно время и в одной точке пространства? «Нет, и это неверно, — говорит Блинников. — Расчеты и анализ химического состава Солнца, Земли, Луны и метеоритов указывают на то, что наша Солнечная система образовалась под действием взрыва недалекой сверхновой звезды. От этого взрыва в нашем межзвездном газе пошла могучая ударная волна, газ в этой волне сгущался, остывал и породил наше Солнце и планеты. А межзвездный газ, сделанный из зеркального вещества, никак не почувствует ударной волны от нашей сверхновой. Потому и не начнет сгущаться в пылинки, льдинки и метеориты — строительный материал будущих зеркальных планет. Ведь для этого ему нужны взрывы своих, зеркальных сверхновых».
Пути к обнаружению
Как доказать, что найденная невидимая, но гравитирующая материя — именно зеркальная, а не какая-то другая из общего списка кандидатов на роль темной материи? Сделать это в принципе можно астрофизическими методами. Например, засечь по эффекту микролинзирования или по гравитационным возмущениям, если какой-то достаточно массивный компактный объект из зеркального вещества, комета или метеорит, пролетит неподалеку от Земли. В таком случае, грубо говоря, стрелка гравиметра дрогнет, а видимой причины для такого дрожания не будет. По мнению Сергея Блинникова, если мы определим, что есть гравитация, соответствующая компактным звездным массам, которая никак видимыми звездами не объясняется, — это почти открытие зеркального мира или таких частиц, которые должны быть очень близки к ним. Но и тогда придется доказывать «зеркальность» тела. Пока же надежного способа распознавания нет, разве что методом исключения.
Иными словами, придется доказывать, что это тело — не бурый карлик, не нейтронная звезда, не черная дыра и так далее по списку кандидатов на роль темной материи. При этом надо допустить, что список полон, но кто это может гарантировать? Правда, проверять его придется не весь, поскольку некоторые частицы не допускают между собой сильных взаимодействий и, следовательно, не могут образовывать компактные объекты. Такие частицы можно смело вычеркивать из перечня претендентов на материю, образующую гравитирующее тело.
Есть некоторая надежда обнаружить зеркальные частицы на Земле, в лаборатории. Если окажется, что есть промежуточный вариант материи, например нейтрино, которое при определенных условиях может превратиться в какое-то неизвестное пока нейтрино, а это неизвестное в свою очередь — в нейтрино зеркальное, и наоборот. Тогда подобные превращения можно будет зафиксировать инструментально, пересчитать, и это станет прямым доказательством существования нейтрино зеркального: если есть один вид зеркальных частиц, то существуют и другие, а за ними — все остальное: зеркальные звезды, зеркальные существа.
Конечно, сейчас это кажется совершеннейшей фантастикой. Но как знать, ведь теоретическая физика — это могучая стартовая площадка для практических приложений. Вот, например, автомобильный концерн BMW при создании двигателей использовал астрофизическую программу, разработанную в Физическом институте им. Макса Планка в Мюнхене. Поскольку уравнения, описывающие пламя в сверхновых звездах, не сильно отличаются от уравнений, описывающих пламя в двигателе внутреннего сгорания, только в звезде это ядерные реакции, а в двигателе — химические.