Удивительная космология

Шильник Лев

Теперь вспомним, что в момент рождения нашей Вселенной плотность энергии была весьма велика. В дальнейшем она все время падала, стремясь к нулю, а энергия поля переходила в энергию рождающихся частиц. В нашей модели античастиц должно быть немного меньше. Но как этого добиться? Предположим, что частицы рождаются при движении поля по левой части параболы, а античастицы – по правой. Картина продолжает оставаться вполне симметричной: ни частицы, ни их близнецы-антиподы не имеют ровным счетом никаких преимуществ, поскольку квантовая флуктуация – зародыш нашей Вселенной – с равной вероятностью может возникнуть как на левой, так и на правой ветви. А теперь посмотрим, что произойдет дальше.

Об этом хорошо и просто рассказывает С. Г. Рубин:

Момент

истины наступает именно при рождении нашей Вселенной. Если мы живем во Вселенной, случайно родившейся на левой ветви, то происходило следующее. Поле начинает двигаться вниз и порождать частицы. Затем оно «проскакивает» положение минимума и забирается на правую ветвь параболы, но часть его энергии уже отдана частицам, и оно поднимется ниже начального значения. Поэтому, когда начинается движение обратно к минимуму потенциальной энергии, поле порождает античастицы в меньшем количестве. Эти затухающие колебания продолжаются довольно долго, и суммарное количество частиц, конечно, не будет совпадать с количеством античастиц – просто потому, что своим рождением на левой ветви потенциала Вселенная нарушила симметрию теории. Это именно то, чего мы и добивались! Кстати, если бы Вселенная случайно родилась на правой ветви, то у нас доминировали бы античастицы. Мы состояли бы из античастиц, но, конечно, называли бы их «частицами».

И тьма пришла

Предыдущая глава почти целиком была посвящена далекому прошлому нашей Вселенной. Картина вырисовывается странная, нелепая и немного пугающая: огромный мир, населенный бесчисленным множеством звезд и галактик, возник буквально из ничего, практически из пустоты, из какой-то ничтожной квантовой флуктуации. Однако и в современном состоянии Вселенной тоже хватает странностей, и первое место среди них по праву принадлежит загадке скрытой массы, которую называют также темной материей, и темной энергии (не путать со скрытой массой).

Наблюдения двух последних десятилетий показали, что на долю обычного видимого вещества – протонов, нейтронов, электронов и фотонов – приходится не более 4 % гравитационной массы-энергии Вселенной (то есть массы-энергии, создающей гравитационное поле). Остальные 96 % – это некая загадочная субстанция, которая не излучает и не поглощает света, а ее присутствие можно обнаружить только лишь по создаваемому ею гравитационному полю. Она никак не взаимодействует с обычной материей, так что эпитет «темная» следует признать не совсем удачным: с таким же успехом ее можно было назвать «прозрачной» или «невидимой». Другими словами, величественный хоровод небесных светил, который испокон веков изучали дотошные астрономы, на поверку оказался ничтожной надводной частью айсберга, покоящейся на незримой темной глыбе неведомо чего. О физической природе этого бесплотного, но весьма увесистого призрака современная наука не может сказать ничего определенного. Более того, совсем недавно выяснилось, что темная изнанка нашего мира неоднородна и распадается, в свою очередь, на две компоненты, весьма различные по своим свойствам: темную материю (она же – скрытая масса), составляющую примерно 25 % суммарной массы-энергии, и темную энергию (71 %). Однако обо всем по порядку.

Первый звоночек, свидетельствующий о том, что не все ладно в датском королевстве, прозвенел еще в 1933 году, когда американский астроном швейцарского происхождения Фриц Цвикки задумал измерить полную массу группы галактик по их светимости. Он поступил просто: подсчитал количество звезд в каждой галактике и умножил это число на среднюю массу звезды. Казалось бы, надежный и проверенный метод. Однако другой подход, основанный на законе всемирного тяготения и оценке скоростей звезд, дал несопоставимо большую величину массы. Цвикки подметил крайне любопытные аномалии в движении отдельных галактик внутри скопления. Любая случайно взятая галактика двигалась таким образом, словно общая масса скопления значительно превосходила сумму масс входящих в него галактик. Поскольку сей изрядный «довесок» невидим и может быть обнаружен только по характеру гравитационных возмущений, Цвикки предложил назвать его темной материей.

В то время научная общественность отреагировала на предложение Цвикки довольно вяло, и только 40 лет спустя о скрытой массе заговорили вновь. В 70-х годах прошлого века аномалии, подобные тем, какие обнаружил американский астроном, были выявлены в спиральных галактиках. Как известно, спиральные галактики в отличие от галактик другого типа (эллиптических и неправильных) вращаются, однако это вращение не имеет ничего общего с вращением детского волчка или юлы. Галактика не является сплошным твердым телом, а состоит

из десятков миллиардов звезд, каждая из которых движется сама по себе, описывая замкнутую кривую вокруг галактического центра. Отсюда следует, что в соответствии с законами небесной механики скорость звезды по мере ее удаления от центра должна падать. Во всяком случае, планеты Солнечной системы ведут себя именно так: чем дальше планета отстоит от Солнца, тем ниже ее орбитальная скорость.

А вот движение звезд в спиральных галактиках по непонятной причине этому непреложному закону не подчиняется. Астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что скорость всех звезд, начиная с некоторого расстояния от центра, становится постоянной величиной. Как разрешить эту малоприятную ситуацию? Положа руку на сердце, выбор у нас невелик. Одно из двух: либо массы галактик оцениваются неверно, либо законы Ньютона не универсальны и могут при определенных условиях нарушаться. Второй вариант выглядит слишком экстравагантно и большинством ученых всерьез не рассматривается, хотя отдельные еретики от физики допускают такую возможность. Скажем, израильтянин М. Мильгром сравнительно недавно предложил гипотезу, получившую название модифицированной ньютоновой динамики (МОНД). Согласно этой гипотезе, движение звезд, облаков межзвездного газа и других объектов во внешних слоях спиральных галактик подчиняется не закону Ньютона, а более общему закону, куда ньютонова механика входит как частный случай. Ускоренное движение звезд объясняется тем, что на больших расстояниях от галактического центра обычный закон Ньютона не выполняется, поскольку сила тяготения приобретает иную величину.

Тем не менее большинство специалистов точку зрения Мильгрома не разделяют. Модифицированная динамика не только грешит множеством откровенных натяжек, но и плохо согласуется с данными наблюдательной астрономии (так, она не в силах объяснить характер движения вещества в скоплениях галактик). Поэтому почти все астрофизики склонны объяснять аномалии в движении звезд присутствием невидимой (темной) материи, которая подобно огромному сферическому облаку окутывает каждую галактику. Расчеты показывают, что в случае нашей галактики диаметр такого гало должен быть не менее 300 тысяч световых лет, то есть в три раза превосходит диаметр Млечного Пути.

Но какова все-таки физическая природа этой необычной субстанции, на долю которой, как мы помним, приходится 25 %, – в шесть с лишним раз больше, чем обычного вещества, излучающего свет? Во-первых, кандидатами на роль носителей скрытой массы могут быть компактные тела, так называемые массивные астрофизические компактные объекты в гало Галактики – Massive Astrophysical Compact Halo Objects (MACHO). К числу таких темных образований относятся черные дыры, коричневые карлики, старые нейтронные звезды, облака из слабо взаимодействующих частиц и, возможно, белые карлики. Все они не должны светиться, в противном случае их бы давным-давно обнаружили. Коричневые карлики – это нечто среднее между газовыми планетами-гигантами и небольшими легкими звездами. Масса такого объекта не должна превышать 10 % массы Солнца, иначе внутри него вспыхнут термоядерные реакции, которые приведут к излучению света. Черные дыры и нейтронные звезды, претендующие на роль компактных объектов, тоже должны удовлетворять определенным условиям. Первые не имеют права быть слишком массивными, поскольку излучение от падающего на них вещества немедленно выдаст их с головой, а вторые должны иметь весьма солидный возраст, так как только старые нейтронные звезды практически не излучают и потому невидимы.

Под действием сил гравитации темная материя распределяется неравномерно, попросту говоря, скучивается, подобно обычной материи, и астрономы изучают характер этого распределения различными методами – по кривым вращения галактик, их крупномасштабной структуре, гравитационному линзированию и так далее. Под последним понимается возникновение ложных изображений, так как поля тяготения скрытой массы искажают траекторию движения света от далеких источников. Однако наблюдения показывают, что одних только компактных объектов явно недостаточно для успешного разрешения проблемы темной материи. Поэтому физики, занимающиеся изучением элементарных частиц, полагают, что феномен скрытой массы связан в первую очередь с так называемыми WIMP – Weakly Interacting Massive Particles (слабо взаимодействующими массивными частицами). Эти гипотетические частицы пока не обнаружены, и то обстоятельство, что они крайне слабо взаимодействуют с веществом, создает большие трудности для доказательства их существования. Такие частицы иногда называют холодной, или нерелятивистской, темной материей, поскольку они движутся со скоростями, много меньшими, чем скорость света. Однако их неторопливость с лихвой искупается весьма приличной весомостью, ибо масса слабо взаимодействующих частиц в 1000 и более раз превосходит массу атома водорода.