Если существует достаточно атомов, чтобы составить темную материю, которая в пять (а возможно, и в десять раз) больше того, что мы действительно видим, результаты наблюдений перестанут соответствовать теории. Тогда расчеты Большого взрыва будут предсказывать еще меньше дейтерия и несколько больше гелия, чем мы действительно наблюдаем, и происхождение дейтерия во Вселенной станет загадкой. Это говорит нам о важной вещи: атомы во Вселенной, плотность которой составляет 0,2 атома на 1 м3, создают только 4 % критической плотности, а основная масса темной материи состоит из чего-то инертного с точки зрения ядерных реакций. Экзотические частицы, а не обыкновенные атомы, вносят основной вклад в значение числа Ω{11}.
Неуловимые частицы, которые называются нейтрино, – один из кандидатов. У них нет электрического заряда, и они с трудом взаимодействуют с обычными атомами: почти все нейтрино, которые попадают в Землю, проходят сквозь нее насквозь. В течение первых нескольких секунд после Большого взрыва, когда температура достигала 10 млрд градусов, сжатие было столь велико, что реакции, превращающие фотоны (кванты излучения) в нейтрино, были достаточно быстры, чтобы создать равновесие. Следовательно, количество нейтрино, оставшихся от «космического огненного шара», должно быть связано с количеством фотонов. Используя обыкновенные и непротиворечивые законы физики, любой может подсчитать, что соотношение нейтрино к фотонам должно составлять 3 к 11. Сейчас в излучении, оставшемся от Большого взрыва, содержится 412 млн фотонов на 1 м3. Существует три разновидности нейтрино, и в каждом кубическом сантиметре содержится 113 нейтрино каждого вида – другими словами, на каждый атом во Вселенной приходятся сотни миллионов нейтрино. Разумеется, в контексте темной материи важны самые тяжелые из этих трех видов.
Поскольку количество нейтрино значительно превышает количество атомов, они могут быть основной составляющей темной материи, даже если масса каждого из них составляет одну стомиллионную атома. До 1980-х гг. почти все считали, что нейтрино – это частицы с нулевой массой покоя; в таком случае они будут иметь энергию и двигаться со скоростью света, но их гравитационное воздействие не будет играть роли. (Подобным образом фотоны, оставшиеся от начального этапа существования Вселенной, теперь обнаруживаются в реликтовом излучении и не проявляют какого-либо заметного гравитационного воздействия.) Но сейчас считается, что нейтрино могут иметь какую-то массу, хотя и очень маленькую.
Лучшим доказательством того, что нейтрино имеют массу, стал эксперимент «Камиоканде» в Японии. В нем использовали огромный резервуар в форме цилиндра, размещенный в бывшей цинковой шахте. Экспериментаторы изучали нейтрино, идущие от Солнца, где они являются побочным продуктом ядерных реакций в центральной зоне, а также и другие нейтрино, которые генерируются очень быстрыми частицами (космическими лучами), попадающими в верхние слои атмосферы Земли. Эксперименты показали ненулевую массу нейтрино, возможно не такую значительную, чтобы сделать их весомой составляющей темной материи{12}. Тем не менее это было важнейшее открытие, связанное с природой самих нейтрино. С одной стороны, оно заставляет микромир казаться более сложным, с другой – масса нейтрино может предложить новые ключи к разгадке отношений между ними и другими частицами.
По крайней мере, нам известно, что нейтрино существуют, хотя мы по-прежнему точно не знаем их массы. Но есть длинный список гипотетических частиц, которые,
Эти частицы, тяжелые, но электрически нейтральные, в основном, как и нейтрино, проходили бы прямо сквозь Землю. Тем не менее их небольшая часть могла бы взаимодействовать с атомами веществ, через которые они проходят. В течение дня происходило бы всего несколько столкновений с каждым из нас (притом что наше тело содержит примерно 1029 атомов). Мы же явно ничего не ощущаем. Однако эксперименты с высокой чувствительностью могут обнаружить очень слабые «удары» или отдачу, возникающую, когда такие столкновения происходят с куском кремния или подобным материалом. Детекторы должны быть охлаждены до очень низкой температуры и размещены глубоко под землей (например, их располагают в шахте в Йоркшире или в туннеле под горами в Италии). Это необходимо, чтобы снизить помехи от других событий, которые могут заглушить подлинные сигналы от соударений с темной материей.
Несколько групп физиков взялись за трудные задачи этой «подземной астрономии». Это тонкая и длительная работа, но, если ученые добьются успеха, они смогут не только узнать, из чего же в основном состоит наша Вселенная, но вдобавок еще и открыть новый важный вид частиц. Только величайший оптимист мог бы положиться на успех этого предприятия, потому что на настоящий момент у нас нет теории относительно частиц темной материи, следовательно, очень трудно найти оптимальный путь поиска{13}.
Сейчас рассматривается и множество других кандидатов, которые могут составлять темную материю. Некоторые физики-теоретики предпочитают версию о еще более легкой частице, которая называется аксионом. Другие предполагают, что эти частицы могут быть в миллиард раз тяжелее, чем те, которые ищут сейчас (в этом случае они должны встречаться в миллиард раз реже, что делает поиск еще более трудным). Или они могли бы быть куда более экзотическими – например, черные дыры размером с атом, созданные под огромным давлением первоначальной Вселенной.
СУЖАЕМ ВАРИАНТЫ
Некоторые гипотезы относительно состава темной материи можно смело отбросить; на данном этапе с помощью разнообразной аппаратуры осуществляются серьезные поиски кандидатов. Гравитационное микролинзирование может обнаружить достаточное количество тусклых звезд или черных дыр. Экспериментаторы на дне шахт могут найти какой-то новый вид частицы, которая наполняет собой гало нашей Галактики. Даже отрицательные результаты могут иногда быть интересны, потому что исключают некоторые кажущиеся логичными варианты.
Может существовать несколько различных видов темной материи. Будет удивительно, если окажется, что нет
Тот факт, что более 90 % Вселенной остаются неведомыми, приводит в смущение. И куда хуже понимать то, что темная материя может состоять из структур, масса которых колеблется от 10–33 г (нейтрино) до 1039 г (тяжелые черные дыры), т. е. степень неуверенности составляет более 70 порядков. Эта ключевая проблема может привести к трем направлениям поиска:
1. Сущности, составляющие темную материю, можно обнаружить напрямую. Коричневые карлики могут быть причиной гравитационного линзирования звезд. Если темная материя в нашей Галактике представляет из себя рой частиц, некоторые из них могут быть найдены упорными экспериментаторами глубоко под землей. Я буду оптимистом, если напишу, что через пять лет смогу рассказать о том, что же представляет собой темная материя[24].
2. Экспериментаторы и теоретики уже предоставили нам много информации о нейтрино. Возможно (хотя сейчас это и кажется маловероятным), что у нейтрино достаточно массы, чтобы быть важной составляющей темной материи[25]. Когда мы будем лучше понимать физику высоких энергий и плотностей, мы узнаем, какие еще виды частиц могли когда-либо существовать, и сможем рассчитать, как эти частицы пережили первые миллисекунды существования Вселенной, так же надежно, как теперь можем предсказать количество гелия и дейтерия, пережившее первые три минуты после Большого взрыва.
3. Темная материя доминирует в галактиках. То, когда и как сформировались галактики, то, как они собираются в скопления, очевидным образом зависит от того, из чего состоит их гравитационная доминанта и как она ведет себя при расширении Вселенной. Мы можем строить различные предположения по поводу темной материи, рассчитывать результаты каждого из них и смотреть, что лучше подходит к тому, что мы наблюдаем. Такие расчеты (которые будут описаны в главе 8) могут дать непрямые подсказки к разгадке того, чем же все-таки является темная материя.
ПОЧЕМУ ВЕЩЕСТВО, А НЕ АНТИВЕЩЕСТВО?
Пока что мы не знаем ни о том, какие частицы могли существовать на самых первых стадиях развития Вселенной, ни о том, сколько из них могли пережить эти стадии. Если, как я считаю, главный вклад в значение числа Ω вносят новые виды частиц, наша космическая непритязательность продвинется еще на шаг вперед. Мы привыкли к укоренившейся после Коперника мысли о том, что не занимаем особого, центрального места в космосе, но теперь нам также следует отвергнуть и «шовинизм частиц». Атомы, из которых состоят наши тела, и все видимые звезды и галактики являются просто вторичным материалом во Вселенной, где структуры большого масштаба управляются какими-то совсем иными (и невидимыми) субстанциями. Мы видим, что называется, всего лишь пену на гребнях волн, а не сами огромные волны. Мы должны допустить возможность того, что нашим космическим соседом окажется тьма, состоящая из практически неизвестного материала.
Обычные атомы, по всей видимости, составляют во Вселенной «меньшинство». Их окружают рои частиц различных видов, переживших первые мгновения Большого взрыва. Но куда более загадочным является вопрос: почему вообще есть какие-то атомы – почему наша Вселенная не состоит исключительно из темной материи?
Для каждого вида частиц существует соответствующая античастица. Есть протоны (состоящие из трех кварков) и антипротоны (состоящие из трех антикварков). Противоположностью электрона является позитрон. Античастицы аннигилируют при встрече с обычными частицами, и их энергия (mc2) превращается в излучение. Никакая антиматерия не существует в больших количествах ни внутри Земли, ни на поверхности. Крупицы ее могут быть получены в ускорителях, где частицы разбиваются друг о друга с энергией, достаточной для создания дополнительных пар частиц и античастиц. Антивещество было бы идеальным топливом для ракет. Когда оно аннигилирует,
В наблюдаемой нами Вселенной содержится 1078 атомов (в основном это атомы водорода, каждый из которых состоит из протона и электрона), но антиатомов в ней, по всей видимости, не так много. Самая простая вселенная, какую только можно представить, начнется с частиц и античастиц, перемешанных в равной пропорции. К счастью, наша Вселенная не такая, иначе все протоны аннигилировали бы с антипротонами на первых стадиях, когда плотность была высока. Все бы закончилось большим количеством излучения и темной материи, но ни атомы, ни звезды, ни галактики не появились.