Слон во Вселенной. 100 лет в поисках темной материи

Как показал Пиблс на примере пластиковых бутылок, размер связан с частотой, и наоборот. Этот же самый принцип применим и ко всей Вселенной, и именно так возникла характерная картина так называемых барионных акустических осцилляций. Со временем материя в областях повышенной плотности конденсировалось в галактики. Именно поэтому галактики распределены в трехмерном пространстве не случайным образом: их больше там, где еще на заре Вселенной под действием акустических волн образовались наиболее плотные «наносы» вещества. Другими словами, современная крупномасштабная структура Вселенной сформировалась в результате событий, которые происходили вскоре после Большого взрыва.

Это сложный вопрос, и пока можно на время о нем забыть – мы вернемся к барионным акустическим осцилляциям в главе 17. Скажем только, что примерно к 30 годам Джим Пиблс смог задумываться о самых грандиозных вещах – может быть, не о жизни, но уж точно о Вселенной и обо всем на свете. Для этого совсем не обязательно ждать, пока исполнится 42 года [3].

При этом Пиблс совсем не расстроился, узнав, что радиоинженеры Арно Пензиас и Роберт Уилсон опередили Принстонскую группу и первыми обнаружили фоновое реликтовое излучение. Они сделали свое открытие в лаборатории Белла в расположенном неподалеку Холмдейле, штат Нью-Джерси, в 1964 году, всего через несколько месяцев после того, как Дикке собрал свою группу. После звонка с сообщением об этом открытии расстроенный Дикке сказал своим коллегам: «Увы, ребята, похоже, что нас обскакали!» Но Пиблс вспоминал, что его самого это известие воодушевило. Открытие Пензиаса и Уилсона означало, что Пиблс с коллегами занимались не просто умозрительными рассуждениями – предмет их изучения действительно существует.

Пиблс увлекся космологией, и с тех пор она стала постоянной темой его исследований. Вскоре он уже читал лекции по предмету, который когда-то казался ему жутко нудным и неправдоподобным. Его книга «Физическая космология» была опубликована осенью 1971-го, за год до присуждения Пиблсу звания полного профессора3. Первое издание стоит у него на видном месте на книжной полке у стола рядом с фигуркой-трансформером Альберта Эйнштейна.

Физическая космология. На протяжении столетий – нет, даже тысячелетий – проблема происхождения и эволюции Вселенной считалась чем-то из области философии. Вселенная, стоящая на спинах слонов или гигантских черепах, божественное сотворение мира когда-то в очень далеком прошлом. Но туман мифических представлений стал наконец рассеиваться, уступая место научному поиску и физическим исследованиям. Космология стала чем-то осязаемым, доступным для детального анализа, понимания и восхищения. От нее можно было даже фанатеть – как от паровозов.

А теперь пронесемся на полстолетия вперед, и вот уже нобелевский лауреат Филлип Джеймс Эдвин Пиблс, высокий, в голубых джинсах и болотного цвета свитере, склонившись над монитором компьютера, снимает очки, чтобы лучше разглядеть мелкий шрифт на экране, просматривая старые научные статьи, чтобы вспомнить исторические подробности. За прошедшие 50 лет столько всего произошло. Так много загадок! Но главное – это постепенное осознание того, что нашей Вселенной, самим нашим существованием управляет таинственная субстанция. Нечто загадочное, что в отсутствие лучшего понимания мы называем темной материей. Выражаясь в духе сериала «Звездный путь», «Это материя, Джим, но не такая, какой мы ее знаем» [4].

Да, первые намеки появились еще в 30-х годах прошлого века. Но только в 1970-х и начале 1980-х годов темная материя действительно вышла на сцену подобно персонажу, который неожиданно для всех появляется в третьем акте и коренным образом меняет сюжет пьесы. «Есть многое в природе, друг Горацио, что и не снилось нашим мудрецам[5].

Подробности подождут (у нас впереди еще много страниц), но множество полученных в ходе исследований данных и результатов можно истолковать, только если считать, что Вселенная заполнена темной материей. Проведенные самим Пиблсом исследования скученного распределения галактик в пространстве еще до создания достаточно точных трехмерных карт уже наводили на некоторые выводы. Из теоретических расчетов, которые он выполнил совместно с принстонским астрономом Джереми Острайкером, получалось, что равновесие дисков галактик возможно, только если они окружены массивными гало из темной материи. Вскоре Вера Рубин и Кент Форд из вашингтонского Института Карнеги впервые убедительно (или не очень?) показали, что внешние области галактик вращаются гораздо быстрее, чем должны бы в отсутствие темной материи.

Наблюдения космического микроволнового фона – реликтового излучения новорожденной Вселенной – становились все более детальными, и оказалось, что его распределение однородное и гладкое, как кожа младенца. Именно под влиянием этого неожиданного результата Пиблс в 1982 году предложил свою модель холодной темной материи. Проблема вот в чем. Либо распределение горячей плазмы в ранней Вселенной чересчур гладкое и однородное, либо современная крупномасштабная структура космоса слишком «клочковатая». Нельзя совместить несовместимое: слабая сила тяготения, действующая в постоянно расширяющейся Вселенной, никогда не смогла бы превратить гладкое и однородное «там и тогда» в клочковатое «здесь и сейчас».

Разве только…

Разве только если темная материя представляет собой нечто очень странное. Новый тип элементарных частиц, восприимчивых к тяготению, но не восприимчивых к другим видам фундаментальных взаимодействий вроде электромагнитного или сильного. Никоим образом не взаимодействующих с пронизывавшим раннюю Вселенную горячим излучением. Из частиц, движущихся достаточно медленно – то есть, как выражаются физики, из элементарных частиц, достаточно «холодных», чтобы начать скучиваться, образуя зачатки будущего невидимого «каркаса» задолго до высвобождения фонового реликтового излучения. Космическая паутина из неведомого материала, который впоследствии привлек к себе обычные, старомодные атомы, из которых образовались наблюдаемые нами сейчас яркие галактики и скопления галактик. В общем, холодная темная материя.

Половину Нобелевской премии по физике 2019 года присудили именно за теоретические открытия в области физической космологии. Конечно же, за те 40 лет, что прошли после выдвижения Пиблсом гипотезы о холодной темной материи, теория стала горячей, просветляющей и невероятно продуктивной, и теперь это неотъемлемая часть так называемой конкордантной космологической модели. (О другой ключевой составляющей этой модели – темной энергии, не менее таинственной, чем темная материя, – речь пойдет в главе 16.) Но Пиблс не такой человек, чтобы этим хвастаться – у него есть все основания проявлять сдержанность.

Во-первых, по его словам, «настоящие» открытия важнее теоретических. Вторую половину Нобелевской премии по физике 2019 года получили астрономы Мишель Майор и Дидье Кело, которые в 1995-м обнаружили первую планету за пределами нашей Солнечной системы, обращающуюся вокруг звезды солнечного типа. Вот это действительно открытие. Или, например, обнаруженный в 2012 году бозон Хиггса, а также зарегистрированные в 2015-м гравитационные волны. В этих случаях ученые подтвердили то, что прежде было лишь гипотезой (пусть даже и хорошо обоснованной). Этого нельзя сказать о теории холодной темной материи.

Во-вторых, Пиблс – во всяком случае, какое-то время – был не настолько увлечен своей теорией, как другие физики. Так, на раннем этапе создания модели холодной темной материи он был не в восторге от энтузиазма, с которым ее встретили космологи. Он не относился к модели очень серьезно – во всяком случае, тогда. «Послушайте, ребята, я просто пытаюсь решить проблему однородности, и это самая простая модель из пришедших мне в голову, которая согласуется с наблюдениями. Почему вы считаете ее правильной? Я мог бы придумать и другие модели». И он придумал-таки. Некоторые из этих моделей вообще не нуждались в темной материи. Другое дело, что прочие модели не выдержали испытание временем. А вот модель с холодной темной материей выстояла.

В-третьих, Пиблс осознаёт ограниченность своей модели. Да, у нас есть эта замечательная теория – конкордантная модель, которая объясняет как свойства фонового реликтового излучения, так и распределение галактик во Вселенной. Но у нее полно слабых мест. Как разъяснил мне Пиблс, темная материя – это такой «костыль». Мы вынуждены мириться с этой дурацкой субстанцией, которую пришлось искусственно внедрить в нашу модель Вселенной. Мы нуждаемся в темной материи, но при этом не знаем, что это такое. Слишком много вопросов без ответов.

Это, конечно, вовсе не значит, что мы совсем ничего не знаем о темной материи. Ее проявления повсюду; мы рассмотрим их, каждое в отдельности, далее в этой книге. А изучение характера воздействия этой таинственной субстанции на окружающие объекты как минимум позволило немного продвинуться в понимании ее свойств.

И все же временами все это кажется фантастичным и неправдоподобным. Само по себе открытие чего-то нового на небе не особенно удивляет, но как могли мы не замечать 85 % всего гравитирующего вещества вокруг нас – а ведь именно это утверждают специалисты по исследованию темной материи? А что, если, как сказал мне Пиблс, это просто искусственная умозрительная конструкция для объяснения результатов наблюдений? Все эти астрофизические проявления можно считать убедительными свидетельствами, но как долго мы еще готовы ждать неопровержимого обнаружения? Насколько надуманно наше решение? Насколько гипотетична наша теория?

А что, если никакой темной материи вообще нет?

Признаюсь, что время от времени меня терзают сомнения. Темная материя, темная энергия, таинственная инфляционная стадия рождения Вселенной и в придачу еще и множественные вселенные – все это кажется слишком уж надуманным, притянутым за уши. Разве может природа быть столь безумной, коварной и жестокой? Или причина просто в недостатке воображения? В моей неспособности признать, что природа не обязана соответствовать моим ожиданиям? Может, я, как Питер Пэн, не хочу взрослеть и продолжаю верить в фею Динь-Динь, в простую понятную Вселенную, про которую мне рассказывали в детстве?

Дело в том, что меня совсем не пугает общая теория относительности Эйнштейна (хотя я ее и не до конца понимаю) или существование нейтрино. Если бы я жил в XIX веке и мне бы рассказали о теории относительности и ее следствиях – черных дырах, гравитационных волнах, искривлении пространства и замедлении времени – то смог ли бы я поверить этому в отсутствие убедительных доказательств? Если бы кто-то сказал мне, что огромное количество незаряженных частиц с почти нулевой массой – то есть нейтрино – ежесекундно проносятся сквозь мое тело со скоростью света, разве я не рассмеялся бы в ответ? Но созданная Эйнштейном в 1915 году теория была подтверждена спустя четыре года, а нейтрино были впервые обнаружены в 1956-м – как раз тогда, когда я родился. И то и другое – это части Вселенной, в которой я вырос. Вселенной, с которой я свыкся. Что же касается столь же парадоксальных новых причуд природы, то, может быть, я просто слишком консервативен.

И все же надо проявлять осторожность. Бывало, что ученые ошибались, и, вообще-то, довольно часто. Дорога к более точному пониманию Вселенной усеяна отвергнутыми теориями, и ученые цеплялись за неверные гипотезы дольше, чем те этого заслуживали. Дело в том, что научное сообщество консервативно. Даже столкнувшись с опровергающими свидетельствами, ученые скорее подправят существующую теорию для согласования ее с противоречащими ей данными, чем отправят ее на свалку. Если, конечно, не появится более успешная теория.

Например, после того, как голландский физик Христиан Гюйгенс в XVII веке опубликовал свою волновую теорию света, ученые долгое время полагали, что «пустое» пространство заполнено так называемым эфиром – средой, в которой, как считалось, распространяются световые волны. Когда выполненные впоследствии опыты дали результаты, противоречащие столь простым первоначальным представлениям, то физики не отвергли саму концепцию, а подправили ее так, чтобы она лучше согласовалась с наблюдениями. В итоге они загнали себя в тупик – получалось, что эфир должен представлять собой бесконечную прозрачную невязкую жидкость с нулевой плотностью, но при этом обладающую невероятной жесткостью. И только в 1905 году, когда благодаря специальной теории относительности Эйнштейна эфир стал ненужным, ученые отказались от него.

Нечто похожее произошло в конце XVIII века, когда химикам пришлось скрепя сердце признать, что нет такой вещи, как флогистон. Считалось, что этот огненный элемент выделяется при воспламенении горючих веществ. Вещество могло гореть, только пока оно было способно выделять флогистон. Прекращение горения при недостатке воздуха объясняли ограниченным количеством флогистона, которое было способно принять заданное количество воздуха. Эта привлекательная идея была выдвинута около 1700 года немецким химиком Георгом Шталем, и у нее было много приверженцев, даже когда в ходе опытов выяснилось, что некоторые металлы – например магний – после горения становились тяжелее, что очень странно, – ведь, согласно теории, при горении часть вещества должна была высвобождаться. Сторонники же теории флогистона просто заключили, что флогистон обладает отрицательной массой! Им пришлось признать свое окончательное поражение в 1783 году, когда французский химик Антуан Лавуазье убедительно показал, что горение – это химический процесс, для которого необходим кислород – элемент, чьи свойства только в то время начали понимать.

Наконец, я не могу удержаться от того, чтобы привести самый известный случай, когда ученые цеплялись за неверную теорию: это птолемеевская система эпициклов. Птолемей построил свою хитроумную геоцентрическую картину мира на основе двух вполне правдоподобных (во всяком случае, с точки зрения древних греков) предположений, а именно – что Земля находится в центре Вселенной и что небесные тела движутся с постоянной скоростью по идеальным окружностям. Согласно этой созданной во II веке нашей эры теории, каждая планета движется по малой окружности (эпициклу), пустой центр которой обращается вокруг Земли по гораздо большей окружности, называемой деферентом.

Для согласования с наблюдаемыми движениями планет на небосводе в птолемеевскую модель пришлось ввести большое количество эпициклов и дополнить ее некоторыми ухищрениями – например, допустить произвольное смещение центра деферента относительно центра Земли. И тем не менее эта сложная и громоздкая модель продержалась четырнадцать столетий, пока наконец Николай Коперник и Иоганн Кеплер не создали современную гелиоцентрическую картину мира, в которой планеты движутся вокруг Солнца с переменной скоростью по эллиптическим орбитам.

Ну вот мы и приехали. Никто и никогда еще непосредственно не наблюдал темную материю, но мы считаем, что она существует. И при этом следует постоянно помнить о наличии в наших аргументах неявных предположений и осознавать, сколько потребовалось всевозможных ухищрений и поправок, единственное назначение которых – удержание на плаву теории. Ну ведь не хочется, чтобы нас снова сбили с пути эпициклы, не так ли?

Эта мысль не дает покоя. То ли вокруг нас немерено темной материи, которая досадным образом прячется от современных сверхчувствительных приборов. То ли все эти ученые усердно гоняются за призраком.

Джим Пиблс не уверен, что мы когда-либо получим окончательный убедительный ответ на вопрос о темной материи или общей теории всего. И, по его словам, даже если мы придем к такому всеобъемлющему описанию природы, нет никакой гарантии, что мы сможем сравнить его с реальной Вселенной. С какой стати природа должна предоставлять нам какие бы то ни было свидетельства? Конечно, в прошлом удавалось найти необходимые для доказательства или опровержения теорий данные, но в будущем все может измениться. Весьма возможно, что мы выйдем на некий предел, когда требуемые свидетельства уже невозможно будет получить. Временами Пиблс приходит в ужас от мысли, что у нас будет полностью внутренне согласованная теория, которую мы будем не в состоянии проверить. Увы, нет никакой гарантии, что мы этого избежим.

Нет, Пиблс не слишком обескуражен тем, что может не дожить до решения проблемы темной материи. Он сказал в своей нобелевской лекции: «Я рад, что могу передать новому поколению много интересных научных загадок, которые сам не смог решить»4. За два месяца до этого в интервью главному редактору сайта Нобелевской премии Адаму Смиту Пиблс выразил надежду, что это новое поколение очень удивится, когда узнает, что же собой представляет темная материя. «Моя романтическая мечта состоит в том, что для нас это опять будет большой сюрприз»5.

Сотни блестящих молодых ученых в астрономических обсерваториях, лабораториях физики элементарных частиц и институтах космических исследований усердно трудятся, чтобы романтическая мечта Джима Пиблса стала былью. Они не просто готовы удивляться, но и стремятся к этому. И, разумеется, похоже, что темная материя – это всерьез и надолго. А теперь нам надо узнать, что это такое.

2. Подземные призраки

Дзюндзи Наганома, сидя за столом, глядит на графики и числа на мониторе компьютера. Можно подумать – ничего особенного. Но это не какой-нибудь обычный кабинет. Вокруг стола полно полок, контейнеров и стопок коробок. Наганома в защитном шлеме и куртке – температура не выше плюс 10 градусов, и сюда не попадает дневной свет. Его «кабинет» – это стометровой длины пещера, слабо освещенная прожекторами на сырых стенах, увешанных трубами и кабелями. Повсюду огромные инструменты, назначение которых с виду не поймешь. Пещера соединена с другими похожего размера пещерами служебными туннелями, настолько широкими, что по ним могут проехать грузовики. Весь комплекс расположен почти на километровой глубине в итальянских Апеннинах.

Добро пожаловать в Национальную лабораторию Гран-Сассо (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) – самую большую подземную физическую лабораторию в мире1. В зале B ученые и техники из 24 стран создают XENONnT – самый большой и самый чувствительный детектор частиц темной материи. Наганома – постдок из Японии – просматривает результаты испытаний инструмента, находясь в импровизированной «чистой комнате»; коробки набиты десятками готовых к установке хрупких фотоэлектронных умножителей, изготовленных в немецком университете. Во время моего посещения в конце 2019 года детектор XENONnT был уже почти готов2. Сейчас, когда вы читаете эти строки, детектор уже работает, накапливая данные в поисках невидимой субстанции.

Астрономия издавна славится открытием новых объектов и явлений, о которых до этого ничего не знали. Со временем – особенно после изобретения телескопа немногим более 400 лет назад – список открытий стал гораздо длиннее. Астрономы открыли спутники Юпитера, новые планеты во внешней части Солнечной системы, невообразимое количество звезд, облака межзвездного газа и огромное множество галактик вроде нашей собственной. Но всех этих обитателей космоса можно разглядеть либо при помощи классических «оптических» телескопов, либо с помощью инструментов, регистрирующих рентгеновское, ультрафиолетовое или радиоизлучение, которое хоть и не воспринимается человеческим зрением, зато доступно для специально сконструированных камер.

А вот поиски невидимой сущности выглядят совсем иначе. Невидимые объекты можно обнаружить, только когда они оставляют какие-нибудь следы в видимом окружении, тем или иным образом изменяя его свойства или поведение. Я не вижу содержимого закрытой картонной коробки на чердаке, но знаю, что в ней что-то есть, потому из-за этого коробка тяжелая и ее трудно сдвинуть. Расположенный под столом магнит создает характерный узор железных опилок на поверхности стола. Герой написанного Гербертом Уэллсом в 1897 году научно-фантастического романа «Человек-невидимка» оставляет видимые всем окружающим следы на земле3. Как говорится, не все так просто, как кажется на первый взгляд.

На больших масштабах во Вселенной влияние обычно осуществляется посредством тяготения – именно эта сила накладывает свой отпечаток, по которому ученые догадываются о присутствии чего-то невидимого. Влияние тяготения довольно легко обнаруживается из-за того, что гравитация – уникальная сила во Вселенной. Это единственная всегда притягивающая дальнодействующая сила. Чем больше масса, тем сильнее проявление тяготения. (В отличие от тяготения, действующая на заряженные частицы электромагнитная сила может быть как притягивающей, так и отталкивающей, и на больших масштабах эти эффекты, как правило, взаимно компенсируются.) Тяготение управляет движением планет, оно определяет строение галактик и эволюцию Вселенной в целом, ну и, разумеется, характер падения яблок с яблони, как в свое время заметил, отдыхая в саду, Исаак Ньютон, сформулировав свой закон всемирного тяготения в 1687 году.

Просто исследуя влияние тяготения, ученые обнаружили присутствие планеты Нептун, белого карлика – спутника звезды Сириус, внесолнечных планет и черной дыры в центре Млечного Пути – нашей Галактики. Подобно невидимке Гриффину, все эти объекты оставили выдавшие их присутствие гравитационные следы.

А что, если мы видим следы на земле, но не понимаем, что за невидимка их оставляет? Ну и пусть, зато теперь ясно, что он где-то тут, и если тщательно изучить следы, то можно довольно много узнать про этого невидимку. Так, например, астрономы способны из наблюдений звезды определить период обращения планеты вокруг нее, расстояние планеты от звезды (и, следовательно, температуру поверхности планеты) и даже получить представление о массе планеты. Сама планета при этом может остаться невидимой – достаточно измерения ее гравитационного воздействия.

Также и в лаборатории Гран-Сассо ученые пытаются узнать что-то о невидимых объектах, исследуя их наблюдаемые проявления. Но в данном случае проявления вызваны не силой тяготения. «Пещерные» ученые ищут частицы темной материи, которые – если они существуют, – конечно же, обладают массой, но их невозможно обнаружить по гравитационному влиянию. На масштабах отдельных частиц тяготение невероятно слабое. Его влияние проявляется только на больших масштабах при сложении сил притяжения большого множества частиц. Так что гравитационное притяжение отдельной частицы темной материи слишком слабо, чтобы его само по себе можно было заметить. Но элементарные частицы – в том числе и гипотетические частицы темной материи – обладают массой, а значит, и «пробивной силой». Поэтому возможно обнаружение отдельных частиц в редких случаях их столкновения с ядрами атомов «нормальной» материи – например, ксенона, который используется для этой цели в Гран-Сассо. При взаимодействии частицы темной материи с ядром атома ксенона возникает слабая вспышка света, которую ученые как раз надеются обнаружить. Именно для этого нужны фотоумножители.

Но в экспериментах вроде того, что проводится в Гран-Сассо, есть одна проблема. Дело в том, что в точности такие же вспышки возникают при столкновении атомного ядра с менее загадочными микроскопическими объектами – так называемыми частицами космических лучей. Космические лучи – это высокоэнергичные пришельцы из далекого космоса. Это в основном протоны – ядра атомов водорода. При попадании в атмосферу Земли они сталкиваются с атомами и молекулами азота и кислорода, порождая так называемые «атмосферные ливни» вторичных частиц, обрушивающиеся на поверхность нашей планеты.

При поисках взаимодействий с участием частиц темной материи эти вторичные частицы космических лучей являются источником шума в экспериментальных данных. А, как известно, если вокруг шумно, то трудно услышать, как упала иголка. И вот именно для этого и понадобился апеннинский известняк. Темное вещество легко проходит сквозь полуторакилометровый слой породы (ведь эта странная материя редко взаимодействует с обычным веществом – иначе ее давно бы обнаружили), а вот большинство частиц космических лучей – в основном это положительно заряженные мюоны – в нем застревают. Что касается взаимодействий элементарных частиц, то лаборатория Гран-Сассо – исключительно «тихое» место.

Замечательно. Но откуда взять средства на создание подземной лаборатории размером со средневековый замок и как ее построить и обслуживать? Еще в 1980 году физик-ядерщик Антонио Дзикики понял, за какие ниточки надо потянуть. Итальянские политики тогда обдумывали строительство автодорожного туннеля под Апеннинами, чтобы обеспечить возможность быстрого сообщения между Римом на побережье Тирренского моря и Адриатическим побережьем на востоке. Дзикики, бывший тогда президентом Итальянского института ядерной физики, предложил просто немного увеличить объем горных работ. Построенная рядом с туннелем большая подземная физическая лаборатория станет залогом лидерства Италии в этой области науки.

И все получилось именно так, как и задумал Дзикики. Строительство туннеля было завершено в 1984-м, а уже через год была основана лаборатория Итальянского института ядерной физики. В 1989 году в ней провели первый эксперимент по поиску – к сожалению, безуспешному – магнитных монополей, загадочных гипотетических элементарных частиц, оставшихся после Большого взрыва. В последующие годы лаборатория была расширена – теперь ее объем составляет целых 180 000 кубических метров и в ней работают около 1100 ученых со всего мира.