Космос. Иллюстрированная история астрономии и космологии - Джон Норт

С помощью самого современного оборудования они имели возможность получать изображения и измерять яркость примерно 600 000 звезд одновременно, а со временем это число выросло до двух миллионов. Данные по микролинзированию собирались в течение восьми лет, начиная с 1993 г. В числе первых положительных результатов были изображения микролинзирования, произведенные объектами из гало нашей Галактики, они искривляли лучи света, идущие от звезд Большого Магелланова Облака, когда оказывались в точности на луче зрения звезды. В зависимости от массы MACHO и его расстояния от нас, период усиления блеска далекой звезды может длиться дни, недели или месяцы. На деле, не прошло и года, как исследовательская группа провела наблюдение, обычно рассматриваемое в качестве первого неоспоримого доказательства существования темной материи. За восемь лет они зарегистрировали более 400 событий линзирования, но в ходе этой работы становилось все более очевидным, что MACHO – это лишь малая часть всей темной материи Галактики.

Согласно одному из их утверждений, обнаруженный уровень проявления микролинзирования достаточно высок для того, чтобы приписать по меньшей мере 20 процентов темной материи Галактики объектам MACHO с массами порядка 0,5 солнечной массы. Такое значение массы предполагало, что подобными объектами могли бы быть белые или красные карлики, но поскольку они все же излучают свет, их можно было бы обнаружить с помощью космического телескопа «Хаббл», однако это сделать не удалось. Другая группа – проект EROS2, – обладавшая более чувствительным оборудованием, не смогла подтвердить заявленное количество событий микролинзирования. Телескоп «Хаббл» показал, что около 6 процентов гало нашей Галактики состоит из коричневых карликов. Проблема недостающей массы очевидным образом не могла быть полностью разрешена никакими из указанных типов MACHO. Это само по себе оказалось важным открытием, но коллективу можно было поставить в заслугу и два других важных результата. Распределение MACHO, зарегистрированное ими в направлении центра Галактики, предоставило новые количественные данные, внесшие вклад в пересматриваемую схему спиральной структуры Галактики. Однако, по всей видимости, наиболее впечатляющим достижением этого коллектива стал громадный массив количественных данных по переменным звездам, во много раз превышающий весь объем собранного другими астрономами на протяжении всей истории.

В тот же период к доводам, следующим из наблюдений, добавились космологические аргументы, поставившие под сомнение вероятность того, что поиск обычного барионного вещества способен исчерпывающим образом решить проблему темной материи. (Барионы – это класс субатомных частиц, включающий протоны, нейтроны и некоторые неустойчивые, более тяжелые частицы, называемые гиперонами. Этот термин произошел от греческого слова «тяжелый», какими и являются указанные частицы по сравнению с частицами других основных групп в физике элементарных частиц. Барионы участвуют в сильном ядерном взаимодействии и подчиняются принципу запрета Паули.) Предполагалось, что в первые минуты существования Вселенной все имеющиеся барионы принимали участие в ядерных реакциях, в результате чего появились водород, гелий и литий, наблюдаемые сегодня в самых старых звездах. Однако расчетное значение задействованных барионов (как следует из наблюдений современной распространенности элементов) недостаточно для объяснения наблюдаемой динамики галактик и их скоплений. Отчасти по этой причине некоторые космологи отказались видеть в этих и других типах MACHO, вроде черных дыр, нейтронных звезд и коричневых карликов представителей темной материи и начали более подробно развивать прежние рассуждения о существовании разнообразных экзотичных частиц.

После 1979 г., когда В. А. Любимов из Москвы заявил, что измерил массу нейтрино, все внимание было на какое-то время приковано к этим частицам. Масса покоя нейтрино, как считалось прежде, равна нулю, а потому оказываемое им гравитационное воздействие незначительно. Хотя величина, полученная Любимовым, оказалась очень мала, тот факт, что на каждый атом Вселенной приходятся сотни миллионов нейтрино, означал следующее: к ним следует отнестись серьезно, и они продолжали привлекать внимание даже после того, как результаты Любимова были опровергнуты или по меньшей мере пересмотрены. Привлекательность нейтринной гипотезы заключалась в том, что эти частицы движутся очень быстро, и с их помощью можно объяснить сглаживание любых неоднородностей, которые могли бы иметь место в распределении остальной материи на самых ранних стадиях существования Вселенной. Двигаясь с высоким разбросом скоростей, они позволяют получить решение «горячей темной материи» (ГТМ) для образования галактик: нейтрино зарождаются в плотных областях, но флуктуации, сглаживаемые их движением, обладают меньшим масштабом, чем сверхскопления. Затем последние раздробляются на галактики. Этому варианту противопоставляется вариант «холодной темной материи» (ХТМ), в котором все эволюционирует в сторону иерархического роста. Наблюдения оказались неблагосклонны к ГТМ. Они показали, что скопления с большими красными смещениями, то есть относящиеся к более отдаленному прошлому, – редки. Вследствие этого с конца 1980‐х гг. все внимание было обращено к теориям ХТМ.

Не только нейтрино привлекало к себе всеобщее внимание. В разные времена предлагалось более двадцати видов других частиц. Многие из них – целиком гипотетические, и большая их часть обладала необычными названиями и свойствами, которые невозможно охарактеризовать вкратце. В их числе были бино и дино, инфлатоны и преоны, фотино и глюино, хеджхоги и космионы и дюжины других частиц со столь же образными названиями, причем некоторые из них являлись синонимами, а это сильно запутывало дело. Многие из этих частиц собирательно обозначили общим названием WIMPs («вимпы»). (Не следует упускать из виду – акронимы MACHO и WIMP дополняют друг друга. WIMP является более ранним термином.)

Чтобы считаться WIMP, требуется обладать определенными базовыми характеристиками. WIMP (Weaky Interacting Massive Particles – слабовзаимодействующие массивные частицы) – это (если они вообще существуют) частицы, участвующие в слабом ядерном и гравитационном взаимодействиях, а также, возможно, в других слабых взаимодействиях, но не участвуют в электромагнитном взаимодействии. Последнее требование гарантирует то, что их невозможно «увидеть» непосредственно, то есть в обычных электромагнитных диапазонах – визуальном, радио- и т. д. Поскольку мы обладаем возможностью более или менее непосредственно выявлять их по сильному взаимодействию с ядрами, от них требуется также не участвовать в сильном ядерном взаимодействии. По сравнению с обычными частицами, они должны обладать большими массами или быть чрезвычайно многочисленными – первостепенное значение имеет их огромный вклад в массу Вселенной. Поскольку они темные, невидимые и не взаимодействуют с обычной материей, их большая масса должна обеспечивать им относительно медленное движение, а значит и низкую температуру. (Подобная теория ХТМ является более перспективной для решения указанной проблемы, чем ГТМ, отклоненная в силу несовместимости со структурой, образуемой галактиками в большом масштабе.)

Поскольку WIMP могут взаимодействовать с прочей материей только гравитационными и слабыми силами, их очень трудно обнаружить. То, каким образом решается вопрос обнаружения, зависит от частных подробностей используемой теоретической модели. В каждой модели, как правило, есть множество вариантов, поэтому не может идти и речи о том, чтобы начать перечислять здесь все эти теории, не говоря уже о разборе их содержания. (Эта тема является одной из наиболее активно разрабатываемых в современной астрономии, и каждый год ей посвящаются сотни научных публикаций.) Было выдвинуто много предложений относительно астрофизической и экспериментальной проверки, и кое-какая работа уже началась. Например, предполагается, что захват WIMP Солнцем или аннигиляция их в недрах Земли порождают другие частицы, включая нейтрино, которые, в свою очередь, могут быть зарегистрированы такими инструментами, как японский детектор Супер-Камиоканде (см. об этом выше на с. 822). Проходят апробацию и другие технические приемы, включая использование сцинтиллирующего вещества, способного производить световые импульсы, если какой-нибудь атом испытает воздействие WIMP. Один из таких детекторов построен в Италии, и уже сделаны предварительные заявления о том, что ожидаемые типы сигналов зарегистрированы, но они не были подтверждены другими группами