Астрофизика с космической скоростью, или Великие тайны Вселенной для тех, кому некогда

Сверхновые – это звезды, которые взорвались и разлетелись на мельчайшие кусочки, и при этом их светимость временно (на несколько недель) возросла в миллиард раз, так что их стало видно с другого конца Вселенной.

* * *

Скопления галактик – это не просто сумма составляющих их галактик и бродячих звезд.

Измерения при помощи рентгеновских телескопов показывают, что пространство внутри скоплений заполнено газом, раскаленным до десятков миллионов градусов. Этот газ такой горячий, что служит мощным источником рентгеновских лучей. Когда богатые газом галактики проходят через этот горячий газ, они лишаются большей части собственного газа, а значит, и способности создавать новые звезды, что объясняет многие наблюдательные особенности таких «ободранных» галактик. Но если подсчитать полную массу раскаленного газа, то в большинстве скоплений она окажется больше совокупной массы всех галактик в скоплении в целых десять раз. Хуже того, скопления погружены в темное вещество, масса которого в десять раз больше массы всех остальных (видимых) компонент. Иными словами, если бы в телескопы было видно не свет, а массу, наши драгоценные галактики в скоплениях показались бы невзрачными точечками в гигантской гравитирующей сфере.

Все остальное пространство вне скоплений населено галактиками, пик расцвета которых давно прошел. Как уже упоминалось, смотреть в дальний космос – все равно что геологу глядеть на слоистые осадочные породы, которые излагают всю историю формирования гор.

Галактики тусклые не только потому, что до них так далеко, но еще и потому, что доля ярких звезд в них невелика.

Расстояния в космосе так огромны, что свет долетает до нас за миллионы, а то и за миллиарды лет. Когда Вселенная была вдвое моложе, чем сейчас, была широко распространена очень тусклая разновидность очень голубых галактик среднего размера. Мы видим их. Они взывают к нам из далекого прошлого – те самые «далекие-далекие галактики». Голубой цвет – это свечение только что образовавшихся звезд, недолговечных, горячих, массивных и ярких. Галактики тусклые не только потому, что до них так далеко, но и потому, что доля ярких звезд в них невелика. Подобно динозаврам, которые пришли и ушли, и единственные их потомки в наши дни – это птицы, тусклые голубые галактики давно вымерли, но, вероятно, имеют аналог в современной Вселенной. Все ли их звезды выгорели? А вдруг они превратились в невидимые трупы, разбросанные по всей Вселенной? Или эволюционировали и стали привычными нам современными карликовыми галактиками? Или их всех поглотили крупные галактики? Этого мы не знаем, зато можем точно определить их место в космической хронологии.

Если между крупными галактиками в космосе находится так много вещества, можно ожидать, что оно будет отчасти заслонять от нас остальной пейзаж. Это и в самом деле мешает наблюдать самые далекие объекты во Вселенной, например, квазары. Квазары – это очень яркие ядра галактик, чей свет, как правило, добирается до наших телескопов, проделав по Вселенной путь в миллиарды лет. Поскольку квазары – необычайно далекие источники света, из них получаются идеальные подопытные кролики для обнаружения всяческого мусора в пространстве между нами.

Квазары – очень яркие ядра галактик, чей свет, как правило, добирается до наших телескопов, проделав по Вселенной путь в миллиарды лет.

И в самом деле, если разложить свет квазара на спектральные компоненты, в нем окажется полным-полно следов газовых облаков, через которые свет успел пройти. Все известные нам квазары, в какой бы части неба их ни обнаружили, содержат в своем спектре отпечатки изолированных водородных облаков, разбросанных в пространстве и времени.

Этот уникальный класс межгалактических объектов был обнаружен в восьмидесятые годы ХХ века и до сих пор остается предметом активных исследований. Откуда они взялись? Какова содержащаяся в них масса?

Спектры всех известных квазаров содержат следы водорода, а значит, облака водорода есть во Вселенной повсюду. И, как и ожидалось, чем дальше находится квазар, тем больше водородных облаков накладывают отпечатки на его спектр. Некоторые отпечатки (менее одного процента) – просто следствие того, что луч нашего зрения проходит через газ, содержащийся в обычной спиральной или неправильной галактике. Разумеется, можно ожидать, что по крайней мере некоторые квазары окажутся позади обычных галактик, которые мы не видим, потому что до них слишком далеко. Однако другие объекты, поглощающие свет квазаров, с галактиками не спутаешь.

Однако свет квазаров нередко проходит сквозь области пространства, содержащие чудовищные источники гравитации, отчего видимый облик квазара катастрофически искажается. Обнаружить эти источники зачастую непросто, поскольку они могут состоять из обычного вещества, которое находится слишком далеко от нас и потому очень тусклое, а могут представлять собой скопления темного вещества – например, около центров скоплений галактик. Так или иначе, где масса, там и гравитация. А где гравитация, там, согласно общей теории относительности Эйнштейна, и искривление пространства. А искривленное пространство вполне может вести себя как обычная стеклянная линза и изменить путь проходящего сквозь него света. И в самом деле, далекие квазары и целые галактики видны нам сквозь «линзу» из-за массивных объектов, оказавшихся на луче зрения земных телескопов. В зависимости от массы такой линзы и искривленной геометрии луча зрения гравитационная линза может увеличивать, искажать и даже расщеплять далекий источник света на несколько изображений – точь-в-точь кривые зеркала в парках развлечений.

Среди самых далеких из известных нам объектов во Вселенной есть даже не квазар, а обычная галактика, чей слабый свет существенно усилен под действием гравитационной линзы, находящейся между нами. Так что, если мы хотим заглянуть туда, куда не позволяют обычные телескопы, нам придется рассчитывать на эти «межгалактические» телескопы – и с их помощью обновлять рекорды дальности.

* * *

Межгалактическое пространство – это, конечно, очаровательно, но гулять там вредно для здоровья. Даже если пренебречь тем фактом, что вашему теплому организму придется замерзнуть насмерть, чтобы достичь равновесия с царящей во Вселенной температурой, равной 3 Кельвина (–270°С). И тем, что клетки вашей крови лопнут, когда вы задохнетесь от отсутствия атмосферного давления. Все это заурядные опасности, не требующие особого внимания. Есть и более экзотические: например, межгалактическое пространство постоянно прошивают высокоэнергичные скоростные заряженные субатомные частицы. Мы зовем их космическими лучами. Самые высокоэнергичные частицы обладают энергией в сто миллионов раз больше, чем можно достичь в самых крупных ускорителях на Земле. Откуда они берутся, остается загадкой, однако большинство из этих заряженных частиц – это протоны, ядра атомов водорода, и движутся они со скоростью 99,9999999999999999999 процента скорости света. Примечательно, что каждая из этих субатомных частиц иногда несет столько энергии, что ее хватит, чтобы забить в лунку мячик для гольфа с любой точки лужайки.

Но самое, пожалуй, экзотическое явление между (и среди) галактик в вакууме пространства-времени – это бурлящий океан виртуальных частиц, пар вещества и антивещества, которые невозможно зарегистрировать, поскольку они постоянно возникают и тут же аннигилируют. Этот поразительный феномен, предсказанный квантовой физикой, назвали «энергией вакуума», и она проявляется в виде направленного наружу давления, противодействующего гравитации, которое прекрасно себя чувствует даже при полном отсутствии вещества. Вероятно, расширение Вселенной – воплощение темной энергии – объясняется именно воздействием энергии вакуума.

Вероятно, расширение Вселенной – воплощение темной энергии – объясняется именно воздействием энергии вакуума.

Да, в межгалактическом пространстве и вправду происходит самое интересное. И так будет всегда.

5. Темное вещество

Самая знаменитая из сил природы – гравитация – отвечает и за самые понятные, и за самые загадочные природные явления. Чтобы понять, что загадочное «дистанционное воздействие» гравитации коренится в природных свойствах всех частиц вещества и силу притяжения между любыми двумя телами можно описать простым алгебраическим уравнением, потребовался самый блестящий и влиятельный ум тысячелетия – гений Исаака Ньютона. А чтобы показать, что еще точнее дистанционное воздействие гравитации описывается как искажение ткани пространства-времени, вызванное любым сочетанием вещества и энергии, потребовался самый блестящий и влиятельный ум прошлого столетия – гений Альберта Эйнштейна. Эйнштейн показал, что теория Ньютона нуждается в некотором видоизменении, чтобы описать гравитацию точно – то есть, например, предсказать, насколько искривится луч света, проходя мимо массивного тела. Уравнения Эйнштейна сложнее ньютоновых, зато они прекрасно описывают вещество, которое мы знаем и любим. Все то вещество, которое мы видим, ощущаем, осязаем, нюхаем и иногда пробуем на вкус.

Кто будет следующим в этой череде гениев, неизвестно, но мы уже почти сто лет ждем, когда появится кто-то, кто объяснит, почему подавляющее большинство гравитации, которую мы намеряли во Вселенной, – почти 85 процентов! – обеспечивается субстанцией, которая больше никак не взаимодействует с «нашими» веществом и энергией. А может, избыток гравитации вообще порожден не веществом и энергией, а чем-то концептуально иным? Так или иначе, мы не имеем об этом ни малейшего представления. И ни на шаг не приблизились к ответу с 1937 года, когда проблему «недостающей массы» впервые проанализировал американский астрофизик швейцарского происхождения Фриц Цвики. Он преподавал в Калифорнийском технологическом институте более сорока лет и сочетал глубочайшие познания в физике космоса с исключительным красноречием и поразительной способностью критиковать коллег.

Цвики исследовал движение отдельных галактик в пределах огромного скопления, расположенного на большом расстоянии за нашими соседками-звездами Млечного Пути, составляющими созвездие Волосы Вероники (в честь древнееврейской царевны). Скопление Волос Вероники, как мы называем его сегодня, – это изолированный густонаселенный ансамбль галактик примерно в 300 миллионах световых лет от Земли. Тысяча его галактик вращаются вокруг центра скопления на первый взгляд довольно суматошно, будто рой пчел вокруг улья. Цвики изучил движение нескольких десятков галактик в качестве меток гравитационного поля, которое связывает скопление воедино, и обнаружил, что их средняя скорость на удивление велика. Поскольку высокая скорость притягиваемых тел обычно объясняется большой гравитацией, Цвики предположил, что в центре скопления Волос Вероники находится какая-то гигантская масса. Чтобы сопоставить такую оценку с реальным положением дел, можно вычислить сумму масс всех видимых галактик в скоплении. И хотя Волосы Вероники считаются одним из самых крупных и массивных скоплений во Вселенной, видимых галактик в нем недостаточно, чтобы объяснить скорости, которые измерил Цвики.

Насколько все плохо? Неужели известные законы гравитации нас подвели? В Солнечной системе они, однако, действуют бесперебойно. Ньютон показал, что всегда можно однозначно рассчитать скорость, которую должна поддерживать планета, чтобы сохранять стабильную орбиту на той или иной дистанции от Солнца, не упасть на Солнце и не улететь на более далекую орбиту. Оказывается, если бы мы могли разогнать Землю по орбите со скоростью больше нынешней в корень квадратный из двух (1,4142…) раз, наша планета достигла бы «второй космической скорости» и покинула бы Солнечную систему. Те же расчеты можно применить к системам гораздо более крупным, например, к нашей галактике Млечный Путь, в которой звезды движутся по орбитам, соответствующим гравитации всех остальных звезд, и к скоплениям галактик, в которых каждая галактика ощущает гравитацию всех остальных галактик. Именно поэтому в записных книжках Эйнштейна на страничке с формулами появилась эпиграмма в честь Исаака Ньютона (она приведена в книге Károly Simonyi, A Cultural History of Physics (Boca Raton, FL: CRC Press, 2012)):

Seht die Sterne, die da lehrenWie man soll den Meister ehrenJeder folgt nach Newtons PlanEwig schwiegend seiner Bahn.

(Взгляните на звезды, которые учат, как надо слушаться учителя: каждая вечно и спокойно движется согласно расчетам Ньютона по своему предписанному пути.)

Если мы, как это сделал Цвики в 30-е годы, изучим скопление Волосы Вероники, то окажется, что все галактики, которые в него входят, движутся со скоростью больше второй космической для этого скопления. Оно должно было быстро разлететься на части, всего за несколько сотен миллионов лет не должно было остаться ни следа от нынешнего роя. Однако этому скоплению уже больше десяти миллиардов лет – они почти что ровесники с самой Вселенной. Так в астрофизике появилась самая старая на сегодня задача без ответа.

* * *

На протяжении десятилетий, прошедших после публикации работ Цвики, ту же особенность выявили и у других скоплений галактик, так что речь идет не о какой-то удивительной особенности Волос Вероники: это скопление ни в чем не виновато. А кто виноват? Или что? Ньютон? Он вне подозрений. По крайней мере, пока. Его теории изучались 250 лет и прошли все проверки. Эйнштейн? Нет. Колоссальная гравитация скоплений галактик все же не настолько велика, чтобы требовать полномасштабного применения общей теории относительности Эйнштейна, которой во времена Цвики исполнилось всего двадцать лет. Возможно, «недостающая масса», удерживающая галактики в скоплении Волосы Вероники, и в самом деле существует, просто в какой-то неизвестной невидимой форме. Сегодня мы довольствуемся выражением «темное вещество»: оно не намекает, что нам чего-то недостает, но все же предполагает, что должна существовать какая-то иная разновидность вещества, просто мы ее еще не открыли.

Едва астрофизики смирились с существованием темного вещества в скоплениях галактик, как загадка снова заявила о своем незримом присутствии. В 1976 году покойная Вера Рубин, астрофизик из Института Карнеги в Вашингтоне, открыла похожую аномалию масс внутри самих спиральных галактик. Она изучала скорости вращения звезд вокруг центров галактик и сначала обнаружила то, что и ожидала: внутри видимого диска каждой галактики звезды, находящиеся дальше от центра, движутся быстрее, чем ближние. Чем дальше звезды, тем больше вещества (звезд и газа) находится между ними и центром галактики, поэтому у них выше орбитальная скорость. Однако за пределами светящегося диска галактики можно обнаружить изолированные газовые облака и несколько ярких звезд. Вера Рубин проследила движение этих объектов, использовав их как метки гравитационного поля вне самых ярких частей галактик, где нет видимого вещества, вносящего вклад в общую массу, и обнаружила, что их орбитальные скорости, которые должны были здесь, в глухой провинции, постепенно уменьшаться с увеличением расстояния, оставались по-прежнему высокими.

Эти пустые по большей части объемы пространства – дальнее захолустье каждой галактики – содержат так мало видимого вещества, что аномально высокие орбитальные скорости звезд-меток невозможно объяснить. Вера Рубин совершенно законно предположила, что в этих дальних областях, далеко за пределами видимого края каждой спиральной галактики, находится какая-то разновидность темного вещества. Благодаря работам Рубин мы теперь называем эти загадочные области «гало темного вещества». Загадочные гало существуют у нас прямо под носом, здесь, около Млечного Пути. Расхождение между совокупной массой видимых объектов и массой, которая объясняла бы общую гравитацию, налицо во всех галактиках и во всех скоплениях; иногда они различаются в несколько раз, а иногда – в несколько сотен. В среднем по Вселенной получается, что темное вещество в космосе обеспечивает примерно в шесть раз больше гравитации, чем все видимое вещество.

Дальнейшие исследования показали, что темное вещество не может состоять из обычного вещества, которое почему-то светится тусклее или не светится вообще. К этому выводу подводят две логические цепочки. Во-первых, мы можем практически с полной уверенностью исключить всех знакомых нам кандидатов – в точности как подозреваемых при опознании. Может быть, темное вещество залегает в черных дырах? Нет, мы бы наверняка обнаружили такое большое количество черных дыр по гравитационному воздействию на ближайшие звезды. Может, это темные облака? Нет, они бы поглощали свет далеких звезд или еще как-то взаимодействовали с ним, а добропорядочное темное вещество так никогда не поступает. А может, это бродячие планеты, астероиды и кометы в межзвездном (или межгалактическом) пространстве, ведь все эти тела сами не светятся? Трудно поверить, чтобы во Вселенной производилось в шесть раз больше массы в виде планет, чем в виде звезд. Получается, что на каждую звезду в Галактике должно приходиться 6000 Юпитеров, хуже того – 2 000 000 Земель. Но, к примеру, в нашей Солнечной системе все вместе, кроме Солнца, весит меньше одной пятой процента от массы Солнца.

О странной природе темного вещества говорят и более прямые данные – например, соотношение гелия и водорода во Вселенной. Это число дает представление о том, как выглядела ранняя Вселенная. По достаточно точным оценкам, в процессе ядерного синтеза в первые несколько минут после Большого взрыва на каждые десять ядер водорода (которые представляют собой просто протоны) образовалось одно ядро гелия. Расчеты показывают, что если бы в ядерном синтезе участвовала значительная доля темного вещества, отношение гелия к водороду было бы гораздо выше. Из этого можно сделать вывод, что большая часть темного вещества, а следовательно, большинство массы во Вселенной не участвует в ядерном синтезе, а значит, не подходит под определение «обычного» вещества, которое по сути своей готово участвовать в атомных и ядерных взаимодействиях, формирующих вещество в том виде, в каком мы его знаем. Этот вывод – темное вещество и ядерный синтез никак не связаны – независимо подтверждают и тщательные наблюдения фонового микроволнового излучения.

Темное вещество – это не просто вещество, которое почему-то темное. Нет. Это что-то принципиально иное.

Таким образом, насколько мы можем судить, темное вещество – это не просто вещество, которое почему-то темное. Нет. Это что-то принципиально иное. Темное вещество создает гравитацию по тем же самым законам, что и обычное вещество, но больше никак себя не проявляет – не делает ничего такого, что мы могли бы зарегистрировать. Разумеется, эта логика ущербна, поскольку мы не знаем, что, собственно, темное вещество собой представляет. Если любая масса создает гравитацию, следует ли из этого, что за любой гравитацией стоит масса? Этого мы не знаем. Возможно, с веществом-то все нормально, просто мы не до конца понимаем, что такое гравитация.

* * *

В различных астрофизических средах различается и степень несоответствия между темным и обычным веществом, однако это несоответствие становится заметнее, когда имеешь дело с крупными объектами – галактиками и скоплениями галактик. У самых маленьких объектов – лун и планет – никакого несоответствия не наблюдается. Например, гравитация на поверхности Земли полностью объясняется обычным веществом, по которому мы ходим. Так что если у вас на Земле избыточный вес, темное вещество тут ни при чем. Оно никак не влияет ни на вращение Луны по орбите, ни на движение планет вокруг Солнца – но, как мы уже видели, его приходится учитывать при расчетах движения звезд вокруг центра Галактики.

Может быть, на галактических масштабах действуют иные законы гравитации? Едва ли. Скорее всего, темное вещество состоит из вещества, природу которого нам еще предстоит разгадать, вещества менее сконцентрированного, чем обычное. Иначе мы зарегистрировали бы гравитацию отдельных концентрированных сгустков темного вещества, испещряющих Вселенную: комет из темного вещества, планет из темного вещества, галактик из темного вещества. А насколько мы можем судить, это не так.

Зато мы знаем, что вещество, которое мы видим и любим, то самое, из которого состоят звезды, планеты и живые существа, – это лишь тоненькая глазурь на космическом торте, скромные льдинки в огромном космическом океане, состоящем из чего-то, которое выглядит как ничто.

* * *

В первые полмиллиона лет после Большого взрыва – сущий миг по сравнению с хронологией космической истории, насчитывающей 14 миллиардов лет, – вещество во Вселенной уже начало образовывать сгустки, которым предстояло превратиться в скопления и сверхскопления галактик. При этом в следующие полмиллиона лет космос увеличился вдвое и продолжал расти. Так что во Вселенной противоборствуют две силы: гравитация хочет, чтобы все слиплось, а расширение – чтобы все рассеялось. Если все сосчитать, становится понятно, что гравитация обычного вещества в одиночку не выиграла бы эту битву. Ей нужна помощь темного вещества, без которого мы жили бы – то есть не жили бы – во Вселенной, где не было бы никаких структур: ни скоплений, ни галактик, ни звезд, ни планет, ни людей.

Сколько же нужно было гравитации темного вещества? В шесть раз больше, чем дает обычное вещество само по себе. То есть именно столько, сколько мы обнаруживаем во Вселенной. Эта оценка не говорит нам, что такое темное вещество, а лишь подтверждает, что оно и в самом деле играет роль, которую не может сыграть одно лишь обычное вещество, как ни старайся.

Так что темное вещество – наш закадычный враг и лютый друг. Мы понятия не имеем, что это такое. Это несколько раздражает. Но без него наши расчеты не дают точной картины мироздания.

В общем и целом ученых смущает, что приходится опираться в расчетах на концепты, которых мы не понимаем, но надо – значит надо. Причем темное вещество – не первое препятствие такого рода на пути научного прогресса. Например, в XIX веке ученые измерили энергию солнечного света и показали, как именно она влияет на наш климат и смену времен года, не подозревая, что за выработку этой энергии отвечает термоядерный синтез. В то время в перечень самых лучших гипотез входила, например, смешная с нашей точки зрения идея, что Солнце – это горящая глыба угля. В том же XIX веке мы наблюдали звезды, измеряли их спектры и классифицировали их задолго до того, как появилась квантовая физика (это произошло уже в ХХ веке), которая позволила нам разобраться, почему эти спектры выглядят так, а не иначе.

Закоренелые скептики зачастую сравнивают сегодняшнее темное вещество с гипотетическим эфиром: в XIX веке считали, будто космический вакуум пронизан невесомой прозрачной субстанцией, проводящей свет, однако в наши дни эта теория списана со счетов. До 1887 года, когда Альберт Майкельсон и Эдвард Морли в Университете Кейс-Вестерн-Резерв в Кливленде провели свой знаменитый эксперимент, показавший, что никакого эфира нет, ученые были убеждены, что он существует, хотя не было ни единого доказательства этой гипотезы. Считалось, что поскольку свет – это волна, ему нужна среда, чтобы распространять свою энергию, примерно как звуку необходим воздух или какое-то другое вещество, в котором распространяются его волны. Однако, как выяснилось, свет прекрасно распространяется в вакууме космического пространства, где нет никакой среды-переносчика. В отличие от звуковых волн, представляющих собой колебания воздуха, световые волны, как выяснилось, представляют собой сгустки электромагнитной энергии, распространяющиеся сами собой, без посторонней помощи.

Однако незнание бывает разным, и наше незнание природы темного вещества – совсем не то, что незнание природы эфира. Эфир был своего рода заплаткой на том месте, где мы не знали ровным счетом ничего, а существование темного вещества – не просто предположение: мы наблюдаем, как оно воздействует на видимое вещество. Мы не выдумали темное вещество на пустом месте, а сделали вывод о его существовании на основании данных наблюдений. Темное вещество так же реально, как множество экзопланет, обнаруженных на орбитах вокруг далеких звезд: мы открыли их исключительно потому, что заметили их воздействие на блеск звезд, а не потому, что наблюдали их собственный свет.

Темное вещество так же реально, как множество экзопланет, обнаруженных на орбитах вокруг далеких звезд: мы открыли их исключительно потому, что заметили их воздействие на блеск звезд, а не потому, что наблюдали их собственный свет.

Самое скверное, что может случиться, – это если окажется, что темное вещество вообще не вещество, а что-то иное. Может быть, мы наблюдаем воздействие сил из других измерений? Может быть, мы так ощущаем обычную гравитацию обычного вещества, пересекающего мембрану фантомной Вселенной, примыкающей к нашей? Если да, это может оказаться просто одна из бесконечного множества Вселенных, составляющих мультиверс – множественную Вселенную. На первый взгляд это как-то слишком диковинно и неправдоподобно. Но разве менее дико звучали первые предположения о том, что Земля вращается вокруг Солнца? Или что Солнце – всего лишь одна из ста миллиардов звезд в галактике Млечный Путь? Или что Млечный Путь – всего лишь одна из ста миллиардов галактик во Вселенной?

Но даже если одна из этих фантастических гипотез окажется верной, это никак не повлияет на тот факт, что учет гравитации темного вещества в соответствующих уравнениях позволяет нам прекрасно рассчитать ход формирования и эволюции нашей Вселенной.

Другие закоренелые скептики заявляют, что «лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать»: этот жизненный принцип прекрасно зарекомендовал себя в самых разных ситуациях, в том числе в инженерном деле, механике, рыболовстве, а также при знакомствах с представителями противоположного пола. И, разумеется, среди жителей Миссури, которые славятся своим скептицизмом. Однако в науке все иначе. Наука не сводится к тому, чтобы убедиться в чем-то своими глазами: дело науки – измерять, причем лучше всего – именно не на глаз, а при помощи каких-нибудь инструментов, поскольку глаза неразрывно связаны с мозгом и всем его багажом. И чаще всего этот багаж – склад предубеждений, предрассудков, устаревших идей и откровенной предвзятости.

* * *

Хотя темное вещество вот уже три четверти века сопротивляется любым нашим попыткам его пронаблюдать, из игры оно не выходит. Физики-ядерщики убеждены, что темное вещество состоит из еще не открытых частиц-призраков, которые взаимодействуют с веществом только гравитационно, а больше почти или совсем никак не влияют ни на вещество, ни на свет.

Если вы склонны заключать пари на физические открытия, советую ставить на этот вариант. Крупнейшие ускорители частиц на Земле пытаются выработать частицы темной материи, сталкивая обычные частицы и регистрируя, так сказать, осколки. А специальные подземные лаборатории пытаются зарегистрировать частицы темного вещества пассивно – вдруг они залетят к нам из космоса? Слой земли служит естественным щитом, не пропускающим известные космические частицы, которые могут обмануть датчики и выдать себя за темное вещество.

Конечно, может оказаться, что все это – много шума из ничего, однако у гипотезы о неуловимом темном веществе есть и хорошие прецеденты. Например, существование нейтрино сначала было предсказано теоретически и лишь затем подтвердилось экспериментально, хотя нейтрино взаимодействуют с обычным веществом очень слабо. Мощный поток нейтрино с Солнца – по два нейтрино на каждое ядро гелия, возникшее из водорода в ходе термоядерного синтеза в ядре Солнца, – истекает с нашего светила, которое никак не влияет на этот поток, пронизывает космический вакуум с околосветовой скоростью, а затем проникает сквозь Землю, как будто ее не существует. В результате через каждый квадратный дюйм вашего тела каждую секунду, днем и ночью, проходят сто миллиардов солнечных нейтрино, никак не взаимодействуя с атомами вашего организма. Казалось бы, нейтрино неуловимы, однако и их при определенных условиях удается остановить. А остановить частицу – значит так или иначе зарегистрировать ее.

Не исключено, что частицы темного вещества тоже проявляют себя в результате очень редких взаимодействий, а может быть, все еще удивительнее и они участвуют во взаимодействиях принципиально нового вида, помимо сильного, слабого и электромагнитного. Три эти взаимодействия плюс гравитационное – это великая четверка фундаментальных сил Вселенной, которая описывает все взаимодействия между всеми известными нам частицами.

Итак, выбор ясен. Либо нам еще предстоит открыть новое взаимодействие или класс взаимодействий, присущих частицам темного вещества, и изучить их, либо частицы темного вещества взаимодействуют как обычные, но невероятно слабо.

Подведем итоги. Темное вещество оказывает совершенно реальное воздействие на наш мир. Просто мы не знаем, что это такое. Похоже, темное вещество не вступает в сильное взаимодействие, поэтому не образует атомных ядер. В слабое взаимодействие оно тоже не вступает, в отличие даже от неуловимых нейтрино. И в электромагнитное тоже – то есть оно не создает молекул и не концентрируется в плотные шары. Еще оно не поглощает, не испускает, не отражает и не рассеивает свет. Как мы знали с самого начала, темное вещество создает гравитацию, которую чувствует обычное вещество. Но на этом все. Прошло столько лет, а мы так и не обнаружили, что еще оно делает – и делает ли. Пока придется довольствоваться тем, чтобы тащить за собой темное вещество – этакого странного невидимого друга, которого можно задействовать, как только этого потребует от нас Вселенная.

Темное вещество оказывает совершенно реальное воздействие на наш мир. Просто мы не знаем, что это такое.

6. Темная энергия

Вот уж не было печали: в последние десятилетия мы обнаружили во Вселенной какое-то загадочное давление вакуума, противоположное космической гравитации. Более того, в конце концов эта «отрицательная гравитация» победит в перетягивании каната, поскольку она заставляет Вселенную экспоненциально расширяться.

За самые головоломные идеи физики XX века скажите спасибо Эйнштейну – он во всем виноват.

За самые головоломные идеи физики XX века скажите спасибо Эйнштейну – это он во всем виноват. Альберт Эйнштейн в лабораториях не бывал, не ставил опытов, чтобы изучать какие-то явления, не использовал сложное оборудование. Он был чистым теоретиком и предпочитал «мысленные эксперименты», когда изучаешь природу в воображении – придумываешь ситуацию или модель, а потом выясняешь следствия какого-нибудь физического принципа. В предвоенной Германии экспериментальная физика ценилась в глазах ученых-арийцев куда выше теоретической. А физиков-евреев по большей части считали учеными второго сорта, однако до поры до времени давали им возможность «копаться в своей песочнице». И что это стала за песочница!

Если физик – например, Эйнштейн, – строит модель, которая должна представлять Вселенную в целом, то манипулировать с этой моделью – это, в сущности, все равно что манипулировать самой Вселенной. А потом наблюдатели и экспериментаторы идут и смотрят, происходят ли явления, предсказанные этой моделью. Если модель неверна или теоретики ошиблись в вычислениях, экспериментаторы найдут несоответствие между предсказаниями модели и тем, что происходит в реальной Вселенной. Для теоретика это будет причиной снова сесть за стол и либо исправить ошибки в старой модели, либо разработать новую.

Одна из самых мощных и масштабных теоретических моделей в истории науки уже упоминалась на этих страницах: это общая теория относительности Эйнштейна, для друзей просто ОТО. ОТО была выдвинута в 1916 году и математически описывает, как все во Вселенной движется под воздействием гравитации. Каждые несколько лет ученые-экспериментаторы изобретают новый, еще более тонкий способ проверить ОТО и лишний раз убеждаются, насколько она точна. Совсем недавно, в 2016 году, мы снова убедились, как прекрасно описывают природу законы, которые подарил нам Эйнштейн: в специально созданной для этого обсерватории открыли гравитационные волны (речь идет о Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO, расположенной в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана). Существование этих волн предсказал Эйнштейн, и это рябь, со скоростью света пробегающая по ткани пространства-времени и возникающая в результате сильных гравитационных возмущений, например, столкновения двух черных дыр.

Именно это ученые и наблюдали. Первыми удалось зарегистрировать гравитационные волны от столкновения черных дыр в галактике, находящейся от нас в 1300 миллионов световых лет, которое произошло тогда, когда Земля была заселена исключительно сонмом одноклеточных организмов. Пока эта рябь расходилась во все стороны, за следующие 800 миллионов лет на Земле развилась сложная жизнь – цветы, динозавры, летающие существа, а также класс позвоночных под названием млекопитающие. У одного подкласса млекопитающих развились лобные доли, а в нагрузку к ним – способность к сложным размышлениям. Мы называем этих существ приматами. Отдельная ветвь этих приматов в результате генетической мутации научилась говорить, и эта ветвь – homo sapiens – изобрела сельское хозяйство, цивилизацию, философию, искусство и науку.

И все это за последние десять тысяч лет.

И вот наконец один ученый, живший в ХХ веке, выдумал из головы теорию относительности и предсказал существование гравитационных волн. Прошло еще сто лет – и появились технические методы, позволяющие проверить это предсказание, и произошло это за считанные дни до того, как гравитационная волна, мчавшаяся сквозь пространство 1300 миллионов лет, накатила на Землю – и ее удалось зарегистрировать.

Зараза он был, этот Эйнштейн.

* * *

Большинство научных моделей поначалу формулируются вчерне – в них оставлен простор для подгонки параметров, которая позволит лучше соответствовать известной Вселенной. В гелиоцентрической Вселенной, которую описал математик Николай Коперник, живший в XVI веке, планеты вращались вокруг Солнца по идеальным окружностям. То, что планеты вращаются вокруг Солнца, соответствует реальности, более того, это огромный шаг вперед по сравнению с «геоцентрической» моделью, где все вращалось вокруг Земли, а вот с окружностями Коперник промахнулся – все планеты вращаются вокруг Солнца по вытянутым, эллиптическим орбитам, но и это лишь приближение, на самом деле форма орбит сложнее. В целом Коперник выдвинул верную гипотезу, и это главное. Просто потребовалось несколько доработать ее, чтобы она точнее описывала действительность.

Однако в случае теории относительности, основные принципы этой теории требуют, чтобы все происходило точь-в-точь как предсказано. В сущности, может показаться, будто Эйнштейн выстроил карточный домик: два-три простых постулата держат на себе всю структуру. Более того, когда Эйнштейн в 1931 году узнал о существовании книги «Сто авторов против Эйнштейна» (R. Israel, E. Ruckhaber, R. Weinmann, et al. «Hundert Autoren Gegen Einstein», Leipzig: R. Voigtlanders Verlag, 1931), он заметил: «Если бы я ошибся, хватило бы и одного».

Так были посеяны семена одного из самых удивительных ляпсусов в истории науки. В новые формулы гравитации, выведенные Эйнштейном, входила так называемая «космологическая постоянная», которую он обозначил заглавной греческой буквой «лямбда» – λ. Наличие этого члена уравнения с математической точки зрения было не обязательно, но допустимо, и добавленная в уравнения Эйнштейна космологическая постоянная позволяла получить в качестве решения статическую Вселенную.

В те времена никто и представить себе не мог, что Вселенная не просто существует, а еще и что-то делает. Поэтому единственная роль λ сводилась к противодействию гравитации в рамках модели Эйнштейна: космологическая постоянная удерживала Вселенную в равновесии и сопротивлялась естественному стремлению гравитации слепить все в один массивный ком. В этом смысле Эйнштейн изобрел Вселенную, которая не сжимается и не расширяется, что соответствовало преобладавшим в его время представлениям.

Подобно мячику на вершине холма, которому достаточно легчайшего толчка, чтобы скатиться в ту или другую сторону, или карандашу, стоящему на острие, Вселенная Эйнштейна пребывала в шатком равновесии между расширением и полным коллапсом.

В дальнейшем русский физик Александр Фридман математически доказал, что Вселенная Эйнштейна хоть и сбалансирована, однако не стабильна. Подобно мячику на вершине холма, которому достаточно легчайшего толчка, чтобы скатиться в ту или другую сторону, или карандашу, стоящему на острие, Вселенная Эйнштейна пребывала в шатком равновесии между расширением и полным коллапсом. Более того, теория Эйнштейна была новой, а если даешь чему-то название, это не обязательно существует на самом деле, так что Эйнштейн и сам понимал, что его «лямбда» как сила отрицательного тяготения не имела соответствия в физической Вселенной.

* * *

Общая теория относительности Эйнштейна радикально отличалась от всех предыдущих представлений о гравитационном притяжении. Эйнштейна не удовлетворяла мысль Исаака Ньютона, что гравитация непостижимым образом действует на расстоянии (она и самому Ньютону не нравилась). Поэтому в ОТО гравитация считается реакцией массы на местное искривление пространства и времени, вызванное какой-то другой массой или энергетическим полем. Иначе говоря, концентрация массы вызывает искажения (вроде ямок) на ткани пространства-времени. Эти искажения ведут движущиеся массы по так называемым геодезическим кривым, которые в наших глазах выглядят как искривленные траектории, которые мы называем орбитами. Мудреным словом «геодезическая» математики обозначают кратчайшее расстояние между двумя точками на кривой поверхности, то есть в нашем случае это кратчайшее расстояние между двумя точками искривленной четырехмерной ткани пространства-времени. Пожалуй, изящнее всех сформулировал основную мысль Эйнштейна американский физик-теоретик Джон Арчибальд Уилер: «Вещество диктует пространству, как искривляться, пространство диктует веществу, как двигаться». Кстати, на старших курсах я ходил на спецкурс Джона Уилера по общей теории относительности (и познакомился там со своей будущей женой), где он частенько это повторял.

В целом общая теория относительности описывает две разновидности гравитации. Одна прекрасно нам знакома – это сила тяготения между подброшенным мячиком и Землей или между Солнцем и планетами. А еще ОТО предсказала другую разновидность – загадочное антигравитационное давление, связанное с вакуумом самого пространства-времени. Лямбда оберегала истинность представлений самого Эйнштейна и всех до единого физиков его времени: статус-кво статической Вселенной – нестабильную статическую Вселенную. А считать нестабильность естественным состоянием физической системы – это нарушение научного кредо. Нельзя утверждать, что целая Вселенная – это какой-то частный случай, почему-то уравновесившийся на веки вечные. В истории науки еще не бывало ничего, что вело бы себя подобным образом, такого не дают ни наблюдения, ни вычисления, ни воображение. Так что статическая Вселенная не имела надежного прецедента.

Прошло 13 лет, и в 1929 году американский астрофизик Эдвин Хаббл открыл, что Вселенная нестационарна. Он обнаружил – и подтвердил убедительными данными – что чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она удаляется от Млечного Пути. То есть Вселенная расширяется. Тогда Эйнштейн, которого с самого начала смущала космологическая постоянная, не имевшая соответствий среди сил природы, и который огорчился, что сам упустил возможность предсказать расширение Вселенной, отмёл идею лямбды, назвав ее «величайшей ошибкой» в своей жизни.

Удалив лямбду из своей формулы, он приписал ей значение ноль: ведь если, предположим, A = B + C, а потом узнаешь, что A = 10 и B = 10, получается, что A по-прежнему равно B плюс C, только C равно 0 и поэтому не нужно в этом уравнении.

Но это был еще не конец. Теоретики десятилетиями то и дело извлекали лямбду из чулана и вертели так и этак, представляя себе, как бы выглядели их гипотезы во Вселенной, где есть космологическая постоянная. Прошло 69 лет, и ученые эксгумировали лямбду в последний раз. В начале 1998 года две конкурирующие группы астрофизиков сделали громкие заявления. Одну из этих групп возглавлял Сол Перлмуттер из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли в штате Калифорния, а вторую – Брайан Шмидт из обсерваторий Маунт-Стромло и Сайдинг-Спринг в Австралии, неподалеку от Канберры, и Адам Рисс из Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе в штате Мэриленд. Десятки самых далеких сверхновых – это разновидность взрывающихся звезд – оказались заметно тусклее, чем можно было ожидать, исходя из хорошо изученных закономерностей их поведения. Получилось, что либо далекие сверхновые ведут себя иначе, чем близкие, либо они находятся на 15 % дальше, чем предсказывали общепринятые космологические модели. А значит, они разбегаются с ускорением, и «естественное» объяснение этому явлению известно только одно – эйнштейновская лямбда, космологическая постоянная.

И когда астрофизики смахнули с нее пыль и подставили обратно в первоначальные уравнения Эйнштейна, оказалось, что они теперь описывают ту Вселенную, которую мы наблюдаем.

* * *

Сверхновые, которые изучали Перлмуттер и Шмидт, оправдали свое участие в исследованиях на все сто. Каждая из них взрывалась одинаково – с небольшими отклонениями, – сжигала одно и то же количество топлива, высвобождала одно и то же исполинское количество энергии за одно и то же время и достигала при этом одного и того же пика светимости. То есть они служили своего рода меркой, «стандартной свечой» для вычисления космических расстояний до галактик, в которых они взорвались, в самых дальних уголках Вселенной.

Стандартные свечи кардинально упрощают вычисления: поскольку мощность у всех сверхновых одинаковая, тусклые находятся далеко, а яркие близко. Измерив их яркость (проще простого), можно точно сказать, на каком расстоянии они находятся от нас и друг от друга. Если бы у всех сверхновых была разная светимость, на основании одной лишь яркости нельзя было бы делать никаких выводов о расстоянии. Тусклая звезда могла бы оказаться и лампочкой на много ватт вдали, и лампочкой на мало ватт вблизи.

Прекрасно. Но есть и второй способ измерить расстояние до галактик – подсчитать скорость их удаления от нашего Млечного Пути, скорость того самого разбегания, которое неотъемлемо связано с расширением Вселенной. Как первым показал Хаббл, при расширении Вселенной далекие объекты удаляются от нас быстрее, чем близкие. Так что, если рассчитать скорость удаления галактики (еще одна простая задачка), можно вывести расстояние до нее.

Если два этих испытанных метода дают для одного и того же объекта разные расстояния, значит, где-то вкралась ошибка. Либо из сверхновых получились плохие стандартные свечи, либо наша модель измерения темпа расширения Вселенной на основании скоростей галактик неверна.

Так вот, ошибка действительно вкралась. Оказалось, что из сверхновых получаются великолепные стандартные свечи, выдержавшие скрупулезную проверку многих ученых-скептиков, так что вариант остался только один: астрофизики получили Вселенную, которая расширяется быстрее, чем мы думали, и от этого галактики разбежались дальше, чем предсказывали расчеты. И объяснить ускоренное разбегание не удавалось ничем, кроме лямбды – космологической постоянной Эйнштейна.

Это было первое прямое свидетельство, что Вселенную пронизывает отталкивающая сила, противостоящая гравитации, и именно поэтому и пришлось воскресить лямбду. Космологическая постоянная внезапно обрела физический смысл, ей потребовалось название, и на авансцену космической драмы вышла «темная энергия»: в этом имени удачно сочетаются и завеса тайны, и наше глубокое непонимание причин происходящего. В 2011 году Перлмуттер, Шмидт и Рисс получили за это открытие заслуженную Нобелевскую премию.

Самые точные расчеты на сегодня показывают, что темная энергия – это главная достопримечательность нашей Вселенной: она отвечает за 68 % всей массы-энергии во Вселенной – еще 27 % составляет темное вещество, а обычному веществу остается всего-то 5 %.

* * *

Форма нашей четырехмерной Вселенной определяется соотношением между количеством вещества и энергии, обитающих в космосе, и темпом расширения космоса. Это соотношение для удобства математических записей условились обозначать заглавной греческой буквой «омега» – Ω; очередная греческая буква, держащая в узде все мироздание.

Если взять плотность вещества-энергии во Вселенной и поделить на плотность вещества-энергии, которая нужна, чтобы всего лишь остановить расширение (так называемая «критическая плотность»), получится омега.

Поскольку и масса, и энергия заставляют пространство-время искажаться, то есть искривляться, омега говорит нам о форме космоса.

Если омега меньше единицы, то реальное значение массы-энергии падает ниже критического, и Вселенная расширяется вечно, во всех направлениях и все время, принимая форму седла, при которой изначально параллельные линии расходятся.

Если омега равна единице, Вселенная расширяется вечно – но скорость ее расширения все время уменьшается. В этом случае она плоская, и в ней работают геометрические законы, которые мы изучали в школе: в частности, параллельные прямые не пересекаются.

Если омега больше единицы, параллельные линии сходятся, Вселенная свертывается и, в конце концов, превращается в тот же огненный шар, каким была вначале.

С тех самых пор, как Хаббл открыл расширение Вселенной, ни одной группе экспериментаторов ни разу не удалось получить омегу, хоть сколько-нибудь близкую к единице. Сумма всей массы и энергии, которую удалось зарегистрировать при помощи телескопов, и даже самые смелые экстраполяции с учетом темного вещества давали в лучшем случае Ω = 0,3. Согласно этой экспериментальной картине Вселенная получалась «открытой» для любых переговоров и скакала в бесконечное будущее в ковбойском седле.

Тем временем, начиная с 1979 года, американский физик Алан Гут из Массачусетского технологического института и другие ученые работали над поправкой к теории Большого взрыва, которая позволяла избавиться от некоторых неприятных осложнений, не позволявших получить модель Вселенной, наполненной веществом и энергией так равномерно, как наша. Фундаментальный побочный продукт этой поправки к теории Большого взрыва – омега, приближающаяся к единице. Не к одной второй. Не к двум. Не к миллиону. К единице.