Тёмная сторона вселенной

Задумывались ли вы когда-нибудь о том, что всё великолепие звёздного неба, сияющего над нашими головами, составляет лишь крошечную часть окружающего нас пространства? Что и наше Солнце, и триллионы других звёзд, и светящиеся облака туманностей могут быть уподоблены одинокой свече в большой тёмной комнате, полной мрака и неизвестности?

Несмотря на поэтичность сравнения, оно довольно точное. Подавляюще большую часть Вселенной — около 95% — составляют отнюдь не звезды с планетами, а некая тёмная материя. Или, выражаясь точнее, тёмная материя и тёмная энергия.

Ещё в начале прошлого столетия астрономы стали замечать, что движение некоторых галактик не вполне соответствует законам небесной механики. Такое явление астрономам было уже хорошо известно и понятно: нарушения движения небесных тел происходят из-за наличия поблизости другого небесного тела, не обнаруженного пока имеющимися в наличии средствами наблюдения. Исследуя, например, такие нарушения в Солнечной системе, учёные смогли предсказать существование планеты Нептун за полвека до её фактического открытия в Берлинской обсерватории в 1846 году.

Однако в том, что касалось наблюдаемых странностей движения галактик, подобное объяснение не годилось. Так, спиральные галактики из созвездия Волосы Вероники давно уже должны были бы из-за своих больших угловых скоростей разлететься в разные стороны, если бы их не удерживало невидимое, но очень массивное «что-то». Американский астроном Фриц Цвикки в 1937 году рассчитал, что для удержания вместе этих галактик понадобилось бы небесное тело (или скопление тел) с массой, в 500 раз превышающей массу всех звёзд, составляющих Волосы Вероники! Но если бы такое тело, такая супермассивная звезда или звёздное скопление существовало, то Волосы Вероники были бы самым ярким созвездием нашего северного неба, и его блеск соперничал бы с блеском Венеры, самой близкой к нам планеты!

Гипотеза о том, что это массивное тело может быть невидимым, то есть являться чёрной дырой или нейтронной звездой, также не спасала дела: в таком случае галактики двигались бы по траекториям, весьма отличным от наблюдаемых, а некоторые из них, возможно, были бы уже «поглощены» ненасытным тёмным чудовищем.

Не в силах найти причину такого явления, Цвикки просто дал ему название - тёмная материя. Материя, которая не сосредоточена в одном или нескольких небесных телах. Материя, которая не испускает не только света, но и вообще никакого электромагнитного излучения. Материя, которая никак не взаимодействует с обычным веществом. То есть, если продолжать рассуждать, материя, которую никак невозможно «засечь» и исследовать.

Одним словом, тёмное нечто. Или тёмное ничто. Но ничто, обладающее массой и энергией, в 20 раз превышающей массу и энергию всех вместе взятых звёзд, планет и туманностей нашей Вселенной!

Не правда ли, попахивает метафизикой? Какой простор для мистиков различного толка, искателей параллельных миров и иных цивилизаций, не говоря уже о писателях-фантастах!

Какие только любопытные и даже остроумные идеи не выдвинуты творческими людьми, заворожёнными этим манящим сочетанием слов - тёмная материя... Тёмной материи-энергии посвящены художественные фильмы, сериалы, романы, компьютерные игры. Чем, как не тёмной энергией, постоянно и без зазрения совести пользуются отрицательные персонажи «Звёздных войн»? Что, как не тёмная материя, прямо-таки просится в качестве топлива для космических кораблей, движущихся со сверхсветовыми скоростями?

Одно из самых забавных представлений о происхождении тёмной материи было предложено создателями известного мультсериала «Футурама» (студия 20th Century Fox). Компания «Межпланетный экспресс», как раз и использующая тёмную материю как топливо, точно знает, что она есть не что иное, как отходы жизнедеятельности пришельцев из параллельной Вселенной.

Если серьёзно, то к настоящему времени появились уже и солидные теории о тёмной материи, и даже экспериментальные установки для её обнаружения.

Первым и главным кандидатом на роль тёмной материи является элементарная частица - нейтрино. В 2015 году было доказано (и доказательство это было поощрено Нобелевской премией по физике), что нейтрино имеют массу - пусть совсем небольшую, - в тысячу раз меньше массы электрона, но всё же не равную нулю.

Поскольку нейтрино во Вселенной очень много, они могут образовывать большую часть тёмной материи - если не составлять её полностью. К тому же нейтрино «роднит» с тёмной материей то обстоятельство, что они очень слабо взаимодействуют с обычным веществом. Можно сказать, что весь земной шар для потока космических нейтрино значительно более прозрачен, чем обычное оконное стекло для тысячеваттного прожектора.

И наконец, нейтрино - единственные частицы из кандидатов на роль тёмной материи, которые можно, несмотря на их фантастическую проникаемость, наблюдать экспериментально. Существование нейтрино доказано, масса определена, известна примерная их распространенность во Вселенной.

Остальные кандидаты существуют пока лишь теоретически. Физики используют их в своих расчётах, когда необходимо «примирить» теоретические модели взаимодействия частиц с наблюдаемой в экспериментах реальной картиной. Это целый «зоопарк» элементарных частиц с необычными свойствами и хитроумными названиями (аксион, вимп и т.п.). Но пока эти частицы не обнаружены в экспериментах, а существуют лишь на «кончике пера», рассуждения об их вкладе в тёмную материю носят чисто умозрительный характер.

Тем не менее в десятках стран мира действуют установки для поиска частиц тёмной материи. Эксперименты проводятся на земле, под землёй и даже в космосе. Метод поиска различен, он зависит от того, какой именно кандидат является «фаворитом» местных учёных - нейтрино, аксион или вимп.

К сожалению, ни один из этих экспериментов не принёс пока желаемого результата. Однако учёные не теряют оптимизма. Тёмная материя есть, она реально существует, оказывает своё гравитационное воздействие на движение звёзд и галактик и потому когда-нибудь обязательно будет обнаружена.

Наибольшие надежды в этой связи возлагаются на французско-немецко-российский эксперимент EDELWEISS (Experience pour Detecter Les Wimps En Site Souterrain): глубоко под землёй, чтобы избежать влияния фона (не связанных с тёмной материей космических излучений), в лаборатории LSM на юге Франции расположены сверхчувствительные германиевые детекторы.

Идея «ловли» частиц тёмной материи, по сути, очень проста (хотя и сложна по исполнению): рано или поздно, через год или 10 лет, хотя бы одна частица тёмной материи глубоко под землёй, где нет и не может быть никакого другого излучения, «встретится» с ядром атома обычного вещества, и это ядро изменит свой импульс - что будет немедленно зафиксировано приборами.

За 12 лет работы эксперимент EDELWEISS уже принёс кое-какие косвенные, но любопытные результаты. Возможно, тёмная материя существует не только «где-то там», в отдалённых областях Вселенной, но и непосредственно в области Солнечной системы и даже орбиты Земли. Правда, её плотность в непосредственной близости от нас ничтожно мала, но учёные считают, что это в любом случае увеличивает шансы «поймать» частицу тёмной материи и выяснить, наконец, её природу.

Ольга СТРОГОВА