История всего

Чтобы исследовать темную материю, не касаясь ее сути, астрофизики стремятся найти в космосе ее скопления. Например, если бы темная материя существовала только на внешнем периметре в дальних уголках галактических кластеров, тогда скорость галактик не шла бы вразрез с присутствием темной материи, ведь скорость галактик и их траектории зависят только от источников гравитации, расположенных внутри их орбит. Если бы темная материя занимала собой только центральные регионы кластеров, тогда значения скорости галактик, измеренные от центра кластера в направлении его краев, были бы привязаны только к обычному веществу. Однако динамика движения в галактических кластерах демонстрирует нам, что темная материя наполняет собой весь объем вращающихся вокруг центра кластера галактик. По сути, месторасположение обычного вещества и темной материи приблизительно совпадают. Несколько лет назад команда исследователей во главе с американским астрофизиком Дж. Энтони Тайсоном, работавшим тогда в компании Bell Labs и сегодня являющимся сотрудником Калифорнийского университета в Дэвисе (один из нас зовет его «кузеном Тони», хотя он никак не приходится нам родственником), получил первую подробную карту распределения гравитации, источником которой является темная материя, внутри одного огромного галактического кластера и за его пределами. При изучении больших галактик мы также обнаруживаем внутри соответствующего кластера более высокую концентрацию темной материи. Справедливо и обратное: регионы, в которых видимых галактик нет, демонстрируют и недостаток темной материи.

Несоответствие между массой темной материи и обычного вещества сильно разнится от одной астрофизической среды к другой, но в целом становится тем выше, чем крупнее объект — галактика целый кластер. У маленьких объектов — лун и планет — такого несоответствия не наблюдается. Например, сила тяготения Земли полностью объясняется и описывается тем, что находится у нас под ногами. Так что, если вы на Земле слишком много весите, не надо обвинять в этом темную материю. Темная материя также никоим образом не влияет на орбиту, описываемую Луной вокруг Земли, не влияет она и на движение планет вокруг Солнца. Но без нее не обойтись, когда мы анализируем движение звезд вокруг центра галактики.

Возможно ли, что в галактических масштабах действует принципиально иная физика тяготения? Вряд ли. Гораздо более вероятной кажется идея, что темная материя состоит из вещества, природу которого нам еще только предстоит разгадать; из вещества, которое скапливается в одном месте гораздо менее охотно, чем это делает обычное вещество. В противном случае мы обнаружили бы себя в ситуации, когда на каждые шесть частей темной материи приходилась бы одна часть обычного вещества. Насколько мы можем судить сегодня, это совсем не так.

Рискуя вызвать всеобщую депрессию, астрофизики иногда предполагают, что все то вещество, которое мы знаем и любим уже столько лет, — все эти звезды, планеты и «жизнь», — представляет собой лишь одинокие поплавки в огромном космическом океане чего-то, что выглядит как «ничто».

Что если эта мысль лишена смысла? Когда долгое время ничего не получается, некоторые ученые начинают (и их нельзя винить в этом) ставить под сомнение даже фундаментальные законы физики, лежащие в основе всех наших предположений об устройстве Вселенной.

В начале 1980-х годов израильский физик Мордехай Милгром из Научно-исследовательского института им. Вайцмана в израильском городе Реховоте предложил корректировку ньютоновской теории гравитации: его теория известна как модифицированная ньютоновская динамика, сокращенно — МОНД[19]. Принимая сам факт, что стандартная ньютоновская динамика успешно выполняется в «более мелких» масштабах, то есть не галактических, Милгром предположил, что Ньютону необходима помощь в описании эффектов гравитации на расстояниях, существенно более значительных — в масштабах галактик и галактических кластеров, внутри которых отдельные звезды и звездные скопления находятся так далеко друг от друга, что почти не оказывают друг на друга гравитационного воздействия. Милгром добавил к формуле Ньютона дополнительный параметр, предназначенный именно того, чтобы приводить в равновесие всю гравитационную систему в астрономически огромных масштабах. Хотя МОНД была создана в качестве вычислительного инструмента, Милгром не исключал возможности, что она станет теоретическим объяснением нового природного явления.

Успех МОНД был весьма ограничен. Эта теория учитывает движение изолированных объектов на дальних перифериях многих спиральных галактик, но вызывает больше вопросов, чем дает ответов. МОНД не способна достоверно предсказать динамику более сложных конфигураций, таких как движение галактик в бинарных и множественных системах. Более того, подробная карта реликтового излучения, полученная благодаря зонду WMAP в 2003 году, позволила ученым отдельно измерить влияние темной материи на раннюю Вселенную. Полученные результаты соответствуют модели эйнштейновской стабильной Вселенной, опирающейся на традиционные теории о гравитации, поэтому количество почитателей МОНД существенно упало.

В первые полмиллиона лет после Большого взрыва — а это одно краткое мгновение для 14-миллиардной истории космоса — вещество уже понемногу собиралось в сгустки, которым позднее предстояло сформировать собой кластеры и суперкластеры галактик. Но все это время Вселенная продолжала расширяться, и в следующие полмиллиона лет ей суждено было двукратно увеличиться в размерах. Итак, у нас есть Вселенная, пребывающая во власти двух противоборствующих воздействий: гравитация тянет отдельные части вещества друг к другу, а расширение стремится растащить их друг от друга подальше. Посчитав, вы быстро поймете, что гравитационной силы обычного вещества не хватило бы на то, чтобы победить в этой схватке. Здесь требовалась помощь темной материи, без которой мы бы с вами жили — точнее, не жили — во Вселенной без какой-либо структуры: ни кластеров, ни галактик, ни планет, ни людей. Так сколько же дополнительной гравитации пришлось «дополучить» у темной материи? Ответ вы уже знаете: в среднем в шесть раз больше, чем могло предоставить обычное вещество само по себе. Данный анализ не оставляет места для скромных корректировок законов Ньютона от МОНД. Анализ не дает нам понять, что представляет собой темная материя, но утверждает, что ее влияние реально и, как бы вам не хотелось считать иначе, обычному веществу в одиночку столько гравитации не создать.

Темная материя играет еще одну ключевую роль во Вселенной. Чтобы оценить по достоинству все ее заслуги, давайте вернемся назад в прошлое, когда с момента Большого взрыва прошла всего пара минут и Вселенная была столь обжигающе горячей и плотной, что ядра водорода (протоны) могли в процессе синтеза сплавляться друг с другом. В этом плавильном котле новорожденного космоса водород превратился в гелий, попутно создав также некоторое количество лития и еще меньше дейтерия, который представляет собой более тяжелую версию ядра водорода с нейтроном в довесок к протону. Этот состав атомных ядер — еще один космический отпечаток Большого взрыва, некая ценная реликвия, которая позволяет нам восстановить события, происходившие во Вселенной нескольких минут от роду. В создании этого отпечатка первоосновную роль сыграло сильное ядерное взаимодействие — та сила, что объединяет протоны и нейтроны внутри ядра, но никак не гравитация: она слишком слаба для этого. Ее влияние становится актуальным лишь тогда, когда частицы скапливаются вместе в огромных количествах.

К тому времени как температура Вселенной упала ниже определенного значения, термоядерный синтез произвел по одному гелиевому ядру на каждые десять водородных. Вселенная также успела превратить примерно одну тысячную долю всего своего вещества в ядра лития и около двух стотысячных долей вещества — в дейтерий. Представим, что темная материя не состоит из какой-то невзаимодействующей с окружением субстанции, но сделана из обычного, правда, темного вещества (а значит, вещества, допускающего обычный синтез). Учитывая, что в ранней Вселенной было в шесть раз больше темной материи, чем обычного вещества, на каждую единицу объема, ее наличие должно было бы существенно увеличить скорость синтеза водорода. В результате мы получили бы заметный переизбыток гелия — в сравнении с наблюдаемым нами количеством, — и родилась бы Вселенная, совсем непохожая на наш с вами космический дом.

19

Англ. MOND (MOdified Newtonian Dynamics).