Новые возможности для изучения тёмной материи

Новые возможности для изучения физической природы темной материи появились в последние годы в результате исследований английских астрономов, проведенных в связи́ с созданием фотографической карты южного неба в дополнение к уже имевшейся карте северного неба, созданной американскими астрономами с помощью 5-метрового телескопа обсерватории на горе́ Паломар. С этой целью английские ученые установили в Австралии в обсерватории Новый Южный Уэллс крупный телескоп так называемой системы Шмидта с поперечником 1,2 метра.

В числе дополнительных программ, осуществляемых с помощью этого инструмента, была программа исследования изменений, которые происходят на специально выбранном участке неба, равном 35 квадратным градусам, за различные промежутки времени от нескольких часов до многих лет. Руководителем этой программы был астроном Королевской Эдинбургской обсерватории в Шотландии Майк Хо́укинс. В этой обсерватории были тщательно исследованы фотопластинки, полученные в Австралии. В результате удалось зафиксировать положения в пространстве, размеры и конфигурации примерно двухсот тысяч галактик. Затем эти данные были сопоставлены друг с другом, что позволило получить представление о поведении каждого из наблюдавшихся объектов. И стало очевидно, что значительное число вариаций в их состоянии происходит лишь за достаточно длительные промежутки времени. За некоторыми из подобных объектов удалось проследить не только визуально, но и спектоскопически с помощью англо-австралийского телескопа с поперечником зе́ркала 3,9 метра. Фотографирование производилось на протяжении 17 лет с 1975 по 1992 год.

И уже в начале наблюдений стало ясно, что типичный период вариаций физического состояния изучаемых объектов составляет от 5 до 10 лет. Если кратковременные вариации продолжительностью менее одного года можно было объяснить нестабильностью тех или иных конкретных объектов, то для длительных вариаций подобное объяснение не подходило. Следовало искать какие-то иные причины этого явления.

Новая многообещающая идея возникла в результате совместного обсуждения упомянутой проблемы Ма́йком Хоукинсом и специалистом по так называемым гравитационным линзам австралийкой Рэ́чел Вебстер. Физический эффект, на возможность которого они обратили внимание, был предсказан ещё Эйнштейном. Согласно общей теории относительности, гравитационные поля должны оказывать влияние на ход световых лучей. Анализ показывает, что если на пути светового потока, идущего от какого-либо космического источника излучения, окажется компактный массивный объект, то его поле тяготения будет действовать подобно оптической линзе. В результате наблюдатель, находящийся на одной прямой линии с этими объектами, обнаружит значительное увеличение светимости источника, например, звезды́ или квазара.

Сопоставив имеющиеся в его распоряжении многочисленные фактические данные, Хо́укинс пришел к заключению, что причиной многих вариаций светимости далеких квазаров могут быть именно гравитационные линзы. В частности, было замечено, что у близких квазаров вариации светимости практически не наблюдаются. Например, у самого близкого к нам квазара ЗC 273. Этот факт как раз и свидетельствует в пользу гипотезы гравитационных линз. В самом деле, для близких квазаров или других источников светового излучения, расположенных на сравнительно небольших расстояниях от Земли, пересечение луча зрения, соединяющего наблюдателя и наблюдаемый светящийся космический объект гравитационной линзой, представляет собой крайне редкое явление. Однако в тех случаях, когда объект находится на очень большом расстоянии от земного наблюдателя, вероятность того, что на луче зрения окажется гравитационная линза, значительно возрастает.

Компактные массивные объекты

Но что могут представлять собой эти компактные массивные объекты? Какова́ их природа? Ответ на этот вопрос имеет чрезвычайно важное космологическое значение. Как известно, будущее нашей Вселенной зависит от величины средней плотности материи. Если эта плотность ниже не́которого «критического» значения — Вселенная будет расширяться неограниченно. В противном же случае расширение со временем сменится сжатием. Согласно существующей теории происхождения нашей Вселенной, на ранней стадии её существования могло возникнуть лишь около 5% массы, необходимой для обеспечения критической плотности и состоящей из барионного вещества, то есть тех элементарных частиц, из которых состоят обычные космические объекты — планеты, звёзды, туманности, галактики.

Согласно подсчетам Хоукинса, подавляющее большинство гравитационных линз обладает массами, сравнимыми с массой Юпитера. По его предположению, на той стадии эволюции Вселенной, когда кварки перестали существовать в свободном состоянии и вошли в состав атомов, могли сформироваться многочисленные чёрные ды́ры, обладающие массами, сравнимыми с массой Юпитера. И они-то и являются теми гравитационными линзами, которые вызывают наблюдаемые вариации светового излучения далеких квазаров. Иными словами, наша Вселенная содержит огромное количество сравнительно небольших черных дыр. И когда мы наблюдаем те или иные объекты, расположенные в отдаленных регионах космоса, мы, как правило, видим их «через» космические гравитационные линзы. Если всё сказанное соответствует реальному положению вещей, то, по-видимому, основную часть «темной массы» Вселенной составляют небольшие черные дыры.

Карта Вселенной

Следует отметить также, что в последнее время большой шаг вперед в изучении Вселенной в целом и в изучении распространения в ней темной материи внесла группа американских, австралийских и британских астрономов, возглавляемой Пирин Эрдогду (Pirin Erdoğdu) из британского Ноттингемского университета. Ученые создали крупнейшую в мире трехмерную карту галактик окружающей нас части Вселенной и пустот между ними в ближнем инфракрасном диапазоне. Эта карта поможет пролить свет на природу и распределение в космосе тёмной материи. Карта включает в себя скопления, отстоящие от нас до 600 миллионов световых лет. Предыдущие обзоры неба позволили изучать и более отдаленные объекты, однако ни один из них не содержал столь детальной информации о такой обширной области сравнительно «близкого космоса». Кроме этого, карта позволит ученым уточнить, куда именно движется в настоящее время Млечный путь. Движение нашей галактики нельзя описать одним лишь общим расширением Вселенной, и исследователи давно пытались найти тот объект или объекты, которые в наибольшей степени определяют это движение. В программе исследований, называемой 2MASS (The 2MASS Redshift Survey (2MRS) aims to map the distribution of galaxies and dark matter in the local universe - обзор красного смещения, распределение галактик и темной материи в ближайшем космосе), удалось выявить суперкластер, именуемый Великим Аттрактором, представляющий собой сверхскопление галактик. Туда со скоростью 491 +/- 200 км. в секунду вместе с нами движется вся наша местная группа галактик. Наблюдение Великого Аттрактора затруднено тем, что он закрыт от нас рукавом Млечного пути. Нужно отметить, что сверхскопления, зарегистрированные в новом исследовании неба, всё равно не могут полностью объяснить направление движения Млечного пути. Возможно, здесь существенное влияние оказывают невидимые скопления тёмной материи, центр тяжести которых не совпадает с центром тяжести местного сверхскопления.

Можно ли ожидать открытия частиц темной материи в будущем?

...Поскольку мы сегодня не знаем природу этих частиц, ответить на этот вопрос вполне однозначно нельзя. Тем не менее, перспектива представляется довольно оптимистической.

Исходя из изложенного, имеется несколько путей поиска частиц темной материи. Один из них связан с экспериментами на будущих ускорителях высокой энергии — коллайдерах. Если масса частиц темной материи действительно значительно тяжелее массы протона (на два-три порядка больше), то они будут рождаться в столкновениях обычных частиц, разогнанных на коллайдерах до высоких энергий (энергий, достигнутых на существующих ускорителях, для этого не хватает). Ближайшие надежды здесь можно возложить на строящийся в международном центре ЦЕРН под Женевой Большо́й адронный коллайдер (LHC), на котором будут получены встречные пучки протонов с огромной энергией. Согласно популярным сегодня гипотезам, частицы темной материи могут являться представителями нового семейства элементарных частиц, так что наряду́ с открытием частиц темной материи, не исключено, что можно надеяться на обнаружение с помощью мощных ускорителей целого класса новых элементарных частиц и новых взаимодействий.

Другой путь состоит в прямой регистрации частиц тёмной материи, которые находятся вокруг нас. По предположениям ученых, в нашем окружении их должно быть не мало: при массе, равной 1000 масс протона, этих частиц может быть около 1000 в кубическом метре нашего пространства. Можно предположить, что частицы темной материи, являясь крайне слабо взаимодействующими с частицами обычной материи (аналогично нейтри́но, вещество для них прозрачно), все же изредка сталкиваются с атомными ядрами, и эти столкновения можно надеяться зарегистрировать.

Ещё один путь связан с регистрацией продуктов аннигиляции частиц темной материи между собой. Эти частицы должны скапливаться в центре Земли и в центре Солнца (они способны беспрепятственно проникать внутрь Земли или Солнца). Там они аннигилируют друг с другом, и при этом образуются другие частицы, в том числе нейтри́но. Эти нейтри́но и могут быть зарегистрированы специальными установками — нейтри́нными телескопами. Также поиск продуктов аннигиляции частиц темной материи предполагается вести́ в космосе, к примеру, в центральной области нашей Галактики.

Итак, природа «скрытых масс» ещё не установлена. Известно только то, что она существует. Между тем, вопрос о скрытой массе Вселенной — это в полном смысле слова вопрос о её будущем! Если масса темного вещества окажется выше не́которого «критического» значения, то в какой-то момент расширение Вселенной прекратится и начнется обратный процесс — сжатие. Если же невидимого вещества не так много, то расширение Вселенной будет продолжаться вечно...