Составляя у себя в голове наглядное представление о строении галактики, мы, вероятно, видим перед собой спирали из звезд, вращающиеся в черной космической пустоте. Имея очень мощный телескоп, мы бы могли и реально рассмотреть отдельные звезды, составляющие рукава спиральных галактик, поскольку они излучают достаточное количество света и других волн. Смогли бы мы «рассмотреть» и темные области внутри галактик — облака межзвездной пыли и газа, поглощающие, а не испускающие свет.
Однако в течение XX столетия астрофизики постепенно пришли к заключению, что в видимых и ставших привычными образах галактик содержится не более 10% от реально содержащейся во Вселенной материи. Примерно на 90% Вселенная состоит из материи, форма которой остается для нас тайной, поскольку наблюдать ее мы не можем, и по совокупности вся эта темная материя получила название темной материи. (Иногда еще говорят о недостающей массе, однако этот термин нельзя назвать удачным, поскольку в такой терминологии её лучше было бы, вероятно, назвать избыточной.) Впервые тайные откровения подобного рода в далеком 1933 году озвучил швейцарский астроном Фриц Цвики (Fritz Zwicky, 1898–1974). Именно он указал, что скопление галактик в созвездии Волосы Вероники, судя по всему, удерживается вместе гораздо более сильным гравитационным полем, чем это можно было бы предположить, исходя из видимой массы вещества, содержащегося в этом галактическом скоплении, а значит большая часть материи, содержащаяся в этой области Вселенной, остается незримой для нас.
В 1970-е годы Вера Рубин, научная сотрудница Института Карнеги (Вашингтон), изучала динамику галактик, характеризующихся высокой скоростью вращения вокруг их центра, — прежде всего, поведение вещества на их периферии. По всем параметрам на периферию быстро вращающихся галактик должны были — по принципу центрифуги — выбрасываться значительные массы самого легкого межзвездного газа, а именно, водорода, атомы которого теоретически должны были бы окутывать галактику паутиной микроскопических спутников. Рассмотрим, в качестве примера, нашу Солнечную систему. Ее основная масса сосредоточена в центре (на Солнце); чем дальше планета удалена от центра, тем дольше период ее обращения вокруг него. Юпитеру, например, требуется одиннадцать земных лет, чтобы совершить полный годичный оборот вокруг Солнца, поскольку он находится на значительно более удаленной от Солнца орбите и за один годичный цикл проделывает не только более долгий путь, но и движется по нему медленнее (см. Законы Кеплера). Аналогичным образом, если бы всё вещество спиральной галактики было сконцентрировано в ее рукавах, где мы наблюдаем видимые звезды, то и атомы распыленного водорода, подчиняясь третьему закону Кеплера, двигались бы всё медленнее по мере удаления от центра галактической массы. Рубин, однако же, удалось экспериментально выяснить, что на любом удалении от центра галактики водород движется с неизменной скоростью. Можно подумать, будто он «приклеен» к гигантской вращающейся сфере, состоящей из некоей невидимой материи.
Теперь-то мы знаем, что темная материя незримо присутствует не только в пределах галактик, но и во всей Вселенной, включая межгалактическое пространство. О чем мы, однако, так и не имеем никакого представления, так это о ее природе. Какая-то ее часть может оказаться обычными небесными телами, не испускающими собственного излучения, например, массивными планетами типа Юпитера. Их существование подтверждается результатами наблюдения за светимостью звезд ближайших галактик, где иногда отмечаются «провалы», которые можно отнести на счет их частичного затмения при прохождении крупных планет на пути лучей по дороге к нам. Практически, можно считать подтвержденным и существование межзвездных затмевающих тел, не обладающих собственной энергией излучения в наблюдаемом диапазоне, — они получили название «массивных компактных гало-объектов».
Однако подавляющее большинство ученых сходится на том, что масса невидимой материи Вселенной далеко не ограничивается скрытой от нас массой обычных небесных тел и распыленного вещества, а склонны добавлять к ней и совокупную массу всё еще не открытых видов элементарных частиц. Их принято называть массивными частицами слабого взаимодействия (МЧСВ). Они никак не проявляют себя во взаимодействии со световым и прочим электромагнитным излучением. Их поиск сегодня — это своего рода возобновление, казалось бы, давно утратившего актуальность поиска «светоносного эфира» (см. Опыт Майкельсона—Морли). Идея состоит в том, что если наша Галактика действительно со всех сторон облачена сферической оболочкой МЧСВ, Земля, в силу своего движения, должна постоянно находиться под воздействием «ветра скрытых частиц», пронизывающих ее аналогично тому, как даже в самую безветренную погоду автомобиль обдувается встречными воздушными потоками. Рано или поздно одна из частиц такого «темного ветра» вступит во взаимодействие с одним из земных атомов и возбудит колебания, необходимые для ее регистрации сверхчувствительным прибором, в котором он покоится. Лаборатории, проводящие подобные эксперименты, уже сообщают о том, что получены первые намеки на подтверждение реального существования шестимесячного полупериода колебания частоты регистрации сигналов об аномальных событиях подобного ряда, а именно этого и следовало ожидать, поскольку полгода Земля движется по околосолнечной орбите навстречу ветру скрытых частиц, а в следующие полгода ветер дует «вдогонку» и частицы залетают на Землю реже.
МЧСВ представляют собой пример того, что принято называть холодной темной материей, поскольку они тяжелые и медленные. Предполагается, что они играли важную роль на стадии формирования галактик ранней Вселенной. Некоторые ученые считают также, что, по крайней мере, часть темной материи пребывает в состоянии быстрых слабовзаимодействующих частиц, таких как нейтрино, представляющих собой пример горячей темной материи. Главная проблема тут в том, что до формирования атомов, то есть на протяжении примерно первых 300 000 лет после большого взрыва, Вселенная пребывала в протоплазменном состоянии. Любое ядро привычной нам материи распадалось, не успев сформироваться, под мощнейшими энергиями бомбардировки со стороны перегретых частиц раскаленной, сверхплотной, непрозрачной плазмы. После того, как Вселенная расширилась до некоторой степени прозрачности разделяющего вещество пространства, начали, наконец, формироваться легкие атомные ядра. Но, увы, к этому моменту Вселенная расширилась уже настолько, что силы гравитационного притяжения не могли противодействовать кинетической энергии разлета осколков большого взрыва, и всё вещество, по идее, должно было бы разлететься, не дав сформироваться устойчивым галактикам, которые мы наблюдаем. В этом состоял так называемый галактический парадокс, ставивший под сомнение саму теорию Большого взрыва.
Однако, если во всем пространстве объемного большого взрыва обычная материя была перемешана со скрытыми частицами темной материи, после взрыва темная материя, будучи перемешанной с явной, как раз и могла послужить тем самым сдерживающим элементом. По причине наличия огромного числа скрытых тяжелых частиц она первой стянулась под воздействием сил гравитационного притяжения в будущие ядра галактик, оказавшиеся стабильными по причине отсутствия взаимодействия между МЧСВ и мощным центростремительным энергетическим излучением взрыва. Таким образом, к моменту формирования ядер атомов темная материя успела оформиться в галактики и скопления галактик, а уже_ на них начали собираться под воздействием гравитационного поля высвобождающиеся элементы обычной материи. В рамках такой модели обычная материя стянулась к сгусткам темной материи подобно сухим листьям, затягиваемым в водовороты на темной поверхности быстрой реки. Есть о чем задуматься, не правда ли? Не только мы, но и вся наша галактика, и весь зримый материальный мир могут оказаться всего лишь пеной на поверхности странной вселенской игры в прятки.
Однако в течение XX столетия астрофизики постепенно пришли к заключению, что в видимых и ставших привычными образах галактик содержится не более 10% от реально содержащейся во Вселенной материи. Примерно на 90% Вселенная состоит из материи, форма которой остается для нас тайной, поскольку наблюдать ее мы не можем, и по совокупности вся эта темная материя получила название темной материи. (Иногда еще говорят о недостающей массе, однако этот термин нельзя назвать удачным, поскольку в такой терминологии её лучше было бы, вероятно, назвать избыточной.) Впервые тайные откровения подобного рода в далеком 1933 году озвучил швейцарский астроном Фриц Цвики (Fritz Zwicky, 1898–1974). Именно он указал, что скопление галактик в созвездии Волосы Вероники, судя по всему, удерживается вместе гораздо более сильным гравитационным полем, чем это можно было бы предположить, исходя из видимой массы вещества, содержащегося в этом галактическом скоплении, а значит большая часть материи, содержащаяся в этой области Вселенной, остается незримой для нас.
В 1970-е годы Вера Рубин, научная сотрудница Института Карнеги (Вашингтон), изучала динамику галактик, характеризующихся высокой скоростью вращения вокруг их центра, — прежде всего, поведение вещества на их периферии. По всем параметрам на периферию быстро вращающихся галактик должны были — по принципу центрифуги — выбрасываться значительные массы самого легкого межзвездного газа, а именно, водорода, атомы которого теоретически должны были бы окутывать галактику паутиной микроскопических спутников. Рассмотрим, в качестве примера, нашу Солнечную систему. Ее основная масса сосредоточена в центре (на Солнце); чем дальше планета удалена от центра, тем дольше период ее обращения вокруг него. Юпитеру, например, требуется одиннадцать земных лет, чтобы совершить полный годичный оборот вокруг Солнца, поскольку он находится на значительно более удаленной от Солнца орбите и за один годичный цикл проделывает не только более долгий путь, но и движется по нему медленнее (см. Законы Кеплера). Аналогичным образом, если бы всё вещество спиральной галактики было сконцентрировано в ее рукавах, где мы наблюдаем видимые звезды, то и атомы распыленного водорода, подчиняясь третьему закону Кеплера, двигались бы всё медленнее по мере удаления от центра галактической массы. Рубин, однако же, удалось экспериментально выяснить, что на любом удалении от центра галактики водород движется с неизменной скоростью. Можно подумать, будто он «приклеен» к гигантской вращающейся сфере, состоящей из некоей невидимой материи.
Теперь-то мы знаем, что темная материя незримо присутствует не только в пределах галактик, но и во всей Вселенной, включая межгалактическое пространство. О чем мы, однако, так и не имеем никакого представления, так это о ее природе. Какая-то ее часть может оказаться обычными небесными телами, не испускающими собственного излучения, например, массивными планетами типа Юпитера. Их существование подтверждается результатами наблюдения за светимостью звезд ближайших галактик, где иногда отмечаются «провалы», которые можно отнести на счет их частичного затмения при прохождении крупных планет на пути лучей по дороге к нам. Практически, можно считать подтвержденным и существование межзвездных затмевающих тел, не обладающих собственной энергией излучения в наблюдаемом диапазоне, — они получили название «массивных компактных гало-объектов».
Однако подавляющее большинство ученых сходится на том, что масса невидимой материи Вселенной далеко не ограничивается скрытой от нас массой обычных небесных тел и распыленного вещества, а склонны добавлять к ней и совокупную массу всё еще не открытых видов элементарных частиц. Их принято называть массивными частицами слабого взаимодействия (МЧСВ). Они никак не проявляют себя во взаимодействии со световым и прочим электромагнитным излучением. Их поиск сегодня — это своего рода возобновление, казалось бы, давно утратившего актуальность поиска «светоносного эфира» (см. Опыт Майкельсона—Морли). Идея состоит в том, что если наша Галактика действительно со всех сторон облачена сферической оболочкой МЧСВ, Земля, в силу своего движения, должна постоянно находиться под воздействием «ветра скрытых частиц», пронизывающих ее аналогично тому, как даже в самую безветренную погоду автомобиль обдувается встречными воздушными потоками. Рано или поздно одна из частиц такого «темного ветра» вступит во взаимодействие с одним из земных атомов и возбудит колебания, необходимые для ее регистрации сверхчувствительным прибором, в котором он покоится. Лаборатории, проводящие подобные эксперименты, уже сообщают о том, что получены первые намеки на подтверждение реального существования шестимесячного полупериода колебания частоты регистрации сигналов об аномальных событиях подобного ряда, а именно этого и следовало ожидать, поскольку полгода Земля движется по околосолнечной орбите навстречу ветру скрытых частиц, а в следующие полгода ветер дует «вдогонку» и частицы залетают на Землю реже.
МЧСВ представляют собой пример того, что принято называть холодной темной материей, поскольку они тяжелые и медленные. Предполагается, что они играли важную роль на стадии формирования галактик ранней Вселенной. Некоторые ученые считают также, что, по крайней мере, часть темной материи пребывает в состоянии быстрых слабовзаимодействующих частиц, таких как нейтрино, представляющих собой пример горячей темной материи. Главная проблема тут в том, что до формирования атомов, то есть на протяжении примерно первых 300 000 лет после большого взрыва, Вселенная пребывала в протоплазменном состоянии. Любое ядро привычной нам материи распадалось, не успев сформироваться, под мощнейшими энергиями бомбардировки со стороны перегретых частиц раскаленной, сверхплотной, непрозрачной плазмы. После того, как Вселенная расширилась до некоторой степени прозрачности разделяющего вещество пространства, начали, наконец, формироваться легкие атомные ядра. Но, увы, к этому моменту Вселенная расширилась уже настолько, что силы гравитационного притяжения не могли противодействовать кинетической энергии разлета осколков большого взрыва, и всё вещество, по идее, должно было бы разлететься, не дав сформироваться устойчивым галактикам, которые мы наблюдаем. В этом состоял так называемый галактический парадокс, ставивший под сомнение саму теорию Большого взрыва.
Однако, если во всем пространстве объемного большого взрыва обычная материя была перемешана со скрытыми частицами темной материи, после взрыва темная материя, будучи перемешанной с явной, как раз и могла послужить тем самым сдерживающим элементом. По причине наличия огромного числа скрытых тяжелых частиц она первой стянулась под воздействием сил гравитационного притяжения в будущие ядра галактик, оказавшиеся стабильными по причине отсутствия взаимодействия между МЧСВ и мощным центростремительным энергетическим излучением взрыва. Таким образом, к моменту формирования ядер атомов темная материя успела оформиться в галактики и скопления галактик, а уже_ на них начали собираться под воздействием гравитационного поля высвобождающиеся элементы обычной материи. В рамках такой модели обычная материя стянулась к сгусткам темной материи подобно сухим листьям, затягиваемым в водовороты на темной поверхности быстрой реки. Есть о чем задуматься, не правда ли? Не только мы, но и вся наша галактика, и весь зримый материальный мир могут оказаться всего лишь пеной на поверхности странной вселенской игры в прятки.