На протяжении последних двух месяцев появлялись противоречивые известия об обнаружении следов темной материи – одного из самых желанных предметов охоты физиков после бозона Хиггса: теоретически предсказанной темной материи во Вселенной в четыре раза больше, чем обычной, но непосредственно найти ее до сих пор не удалось.
В начале апреля подледный (буквально находящийся глубоко в толще антарктического льда) телескоп IceCube рапортовал о неудачной попытке косвенно зафиксировать ее частицы, несколько дней спустя появилось сообщение, что детектор AMS, установленный на международной космической станции, что-то обнаружил, по этому поводу американское аэрокосмическое агентство NASA даже организовало пресс-конференцию.
Вместе с крупнейшим российским космологом, академиком Алексеем Старобинским мы составили краткий ликбез о темной материи и смысле ее изучения.
Об актуальных методах XVIII века
Темную материю мы изучаем абсолютно тем же путем, как в XVIII – начале XIX века изучали электричество и магнетизм: смотрим на движение пробных тел в поле. Только в случае темной материи поле не электромагнитное, а гравитационное, а пробными телами являются звезды в галактиках, сами галактики и их скопления, горячий межгалактический газ и фотоны. Изучая их взаимное движение, можно определить реальное распределение ньютоновского гравитационного потенциала (то есть гравитационного поля) в космическом пространстве вокруг нас.
Если мы знаем, как устроено гравитационное поле, с помощью уравнения Пуассона можно выяснить, как распределена в пространстве создающая его масса, то есть материя. Если вычесть из нее видимую материю (звезды, межгалактический газ), все, что останется, – это как раз и есть темная материя.
О количестве и размазанности
На масштабах, больших среднего расстояния между гигантскими галактиками (порядка 1 мегапарсека – расстояния от нас до туманности Андромеды), темная материя распределена примерно так же, как и видимая материя, но ее в пять раз по плотности больше; на меньших расстояниях она менее скучена, чем видимая материя. Темная материя похожа на облака невидимой пыли, которая не умеет собираться в плотные объекты, вроде звезд и планет, но издалека выглядела бы, если бы можно было ее покрасить, чем-то похожей на привычный для нас видимый космос.
Об уверенности
Сама по себе темная материя – это уже никакая не гипотеза, а неизбежное следствие уравнений гравитации, и мы измеряем ее реальное распределение в пространстве. Гипотезой является другое: то, что гравитация в данном случае описывается старой доброй теорией Ньютона. Действительно, были попытки изменить закон Ньютона, чтобы избежать введения темной материи. Ничего хорошего из этого не вышло.
О природе
Исследование гравитационных свойств темной материи ничего не говорит о том, из каких частиц она состоит. Мы знаем только, что она "пылевидная" и почти бесстолкновительная, а скорости составляющих ее частиц нерелятивистские (существенно меньшие скорости света), хотя и большие – сотни километров в секунду, того же порядка, что и скорости звезд в галактиках.
Итак, мы знаем, что темная материя состоит из частиц, которые практически не взаимодействуют с обычной материей. Какие же есть кандидаты на эту роль? В суперсимметричных обобщениях стандартной теории элементарных частиц (когда для каждой элементарной частицы предполагается существование ее суперсимметричного двойника) всегда возникает по крайней мере одна частица, очень слабо взаимодействующая с известной материей. Почему бы ее и не использовать для темной материи? И действительно, во многих наземных экспериментах ищут подтверждения этой теории. Однако пока результаты только отрицательные, хотя точность экспериментов становится все больше. Быть может, частицы темной материи очень и очень тяжелые. Тогда мощности наших установок просто пока не хватает, чтобы их обнаружить.
Существуют и альтернативные экзотические гипотезы природы темной материи. Но суперсимметричная все же кажется самой перспективной, и именно ее проверке посвящено большинство экспериментов.
Об интерпретации новостей
Новости детектора AMS, наделавшие столько шума, на самом деле не совсем новости. То же явление (избыток позитронов определенных энергий), которое теоретически может косвенно указывать на аннигиляцию частиц темной материи, было уже ранее известно из других экспериментов космических телескопов – Памела и Ферми. Но эти эффекты можно объяснить безо всякой темной материи: они могут быть связаны с излучением звезд особого вида – пульсаров, причем такая интерпретация даже более правдоподобна. Так что сенсации пока не произошло.
Зачем все это
Для науки объяснение природы темной материи даст очень многое: это будет открытием нового мира, новой формы материи, радикальным выходoм за рамки нашего представления об устройстве вещества – стандартной модели, блестящим подтверждение космологических исследований. А для практики, может быть, мы даже получим принципиально новый источник энергии, по потенциальным запасам намного превосходящий ядерную.
В начале апреля подледный (буквально находящийся глубоко в толще антарктического льда) телескоп IceCube рапортовал о неудачной попытке косвенно зафиксировать ее частицы, несколько дней спустя появилось сообщение, что детектор AMS, установленный на международной космической станции, что-то обнаружил, по этому поводу американское аэрокосмическое агентство NASA даже организовало пресс-конференцию.
Вместе с крупнейшим российским космологом, академиком Алексеем Старобинским мы составили краткий ликбез о темной материи и смысле ее изучения.
Об актуальных методах XVIII века
Темную материю мы изучаем абсолютно тем же путем, как в XVIII – начале XIX века изучали электричество и магнетизм: смотрим на движение пробных тел в поле. Только в случае темной материи поле не электромагнитное, а гравитационное, а пробными телами являются звезды в галактиках, сами галактики и их скопления, горячий межгалактический газ и фотоны. Изучая их взаимное движение, можно определить реальное распределение ньютоновского гравитационного потенциала (то есть гравитационного поля) в космическом пространстве вокруг нас.
Если мы знаем, как устроено гравитационное поле, с помощью уравнения Пуассона можно выяснить, как распределена в пространстве создающая его масса, то есть материя. Если вычесть из нее видимую материю (звезды, межгалактический газ), все, что останется, – это как раз и есть темная материя.
О количестве и размазанности
На масштабах, больших среднего расстояния между гигантскими галактиками (порядка 1 мегапарсека – расстояния от нас до туманности Андромеды), темная материя распределена примерно так же, как и видимая материя, но ее в пять раз по плотности больше; на меньших расстояниях она менее скучена, чем видимая материя. Темная материя похожа на облака невидимой пыли, которая не умеет собираться в плотные объекты, вроде звезд и планет, но издалека выглядела бы, если бы можно было ее покрасить, чем-то похожей на привычный для нас видимый космос.
Об уверенности
Сама по себе темная материя – это уже никакая не гипотеза, а неизбежное следствие уравнений гравитации, и мы измеряем ее реальное распределение в пространстве. Гипотезой является другое: то, что гравитация в данном случае описывается старой доброй теорией Ньютона. Действительно, были попытки изменить закон Ньютона, чтобы избежать введения темной материи. Ничего хорошего из этого не вышло.
О природе
Исследование гравитационных свойств темной материи ничего не говорит о том, из каких частиц она состоит. Мы знаем только, что она "пылевидная" и почти бесстолкновительная, а скорости составляющих ее частиц нерелятивистские (существенно меньшие скорости света), хотя и большие – сотни километров в секунду, того же порядка, что и скорости звезд в галактиках.
Итак, мы знаем, что темная материя состоит из частиц, которые практически не взаимодействуют с обычной материей. Какие же есть кандидаты на эту роль? В суперсимметричных обобщениях стандартной теории элементарных частиц (когда для каждой элементарной частицы предполагается существование ее суперсимметричного двойника) всегда возникает по крайней мере одна частица, очень слабо взаимодействующая с известной материей. Почему бы ее и не использовать для темной материи? И действительно, во многих наземных экспериментах ищут подтверждения этой теории. Однако пока результаты только отрицательные, хотя точность экспериментов становится все больше. Быть может, частицы темной материи очень и очень тяжелые. Тогда мощности наших установок просто пока не хватает, чтобы их обнаружить.
Существуют и альтернативные экзотические гипотезы природы темной материи. Но суперсимметричная все же кажется самой перспективной, и именно ее проверке посвящено большинство экспериментов.
Об интерпретации новостей
Новости детектора AMS, наделавшие столько шума, на самом деле не совсем новости. То же явление (избыток позитронов определенных энергий), которое теоретически может косвенно указывать на аннигиляцию частиц темной материи, было уже ранее известно из других экспериментов космических телескопов – Памела и Ферми. Но эти эффекты можно объяснить безо всякой темной материи: они могут быть связаны с излучением звезд особого вида – пульсаров, причем такая интерпретация даже более правдоподобна. Так что сенсации пока не произошло.
Зачем все это
Для науки объяснение природы темной материи даст очень многое: это будет открытием нового мира, новой формы материи, радикальным выходoм за рамки нашего представления об устройстве вещества – стандартной модели, блестящим подтверждение космологических исследований. А для практики, может быть, мы даже получим принципиально новый источник энергии, по потенциальным запасам намного превосходящий ядерную.