Игры с тяготением

Глядя на звезды, мы редко отдаем себе отчет, что глядим на Вселенную. Между тем это именно так. Мы видим звезды нашей галактики. Млечный Путь, видим туманные пятнышки, которые в телескоп распадаются на множество звезд, образующих другие галактики, видим какое-то серебристое свечение, создаваемое облаками межзвездного газа и пыли (оно заслоняет от нас центр нашей галактики, а то мы видели бы куда более яркую и богатою звездами картину). В сущности, это и есть видимая Вселенная. Но есть еще и невидимая.

Астрономические наблюдения последних десятилетий показали, что галактики и их скопления движутся так, будто их держат «на привязи» гравитационные силы каких-то невидимых, «темных» масс. Они не видны глазу и телескопу, потому что не испускают свет. Обычное вещество, из которого состоят звезды галактик и межзвездные облака, в свою очередь, состоит из атомов (главным образом, водорода и гелия). Когда летящие в космосе частицы вещества или света (фотоны) сталкиваются с атомами, они их возбуждают, и спустя какое-то время, возвращаясь в нормальное состояние, эти атомы испускают свет Поэтому обычное вещество светится. Но то вещество, которое называется темным, не светится, и это значит, что оно состоит не из обычных атомов. А из чего же?

Ответа на этот вопрос пока нет. Есть только разумные догадки, основанные на новейших физических теориях. Эти теории предсказывают возможность существования особых «темных» частиц, из которых, возможно, и состоит темное вещество. А в самое последнее время появились факты, которые могут подтвердить — или опровергнуть — эти предсказания. Понятно, что астрофизики взволнованы. Ведь согласно их теориям эти частицы образовались на самых ранних этапах существования Вселенной. Не исключено, что с тех пор они скопились вблизи мест с большой гравитацией, чем могут быть центры галактик или их звезды. Обнаружение таких скоплений могло бы объяснить многие загадки — например, что происходит в невидимом нам центре Млечного Пути или почему наше Солнце окружено очень ярко светящейся «короной», происхождение которой до сих пор остается необъяснимым.

Подсказки о возможной природе «темных» частиц физики получили из двух теорий. Одна из них называется теорией суперсимметрии. Она продолжает ту теорию, которая привела к общепринятой сегодня «стандартной модели» элементарных частиц. Согласно этой модели, все существующие микрочастицы, в соответствии со своими свойствами, могут быть распределены по клеточкам некой таблицы, по классам, причем внутри каждого класса частицы обладают определенными общими свойствами — являются, например, «фермионами» (с полуцелочисленным вращательным моментом) или «бозонами» (с целочисленным вращательным моментом). Позднее выяснилось, что уравнения стандартной модели не вполне точно описывают поведение частиц, когда они обладают очень высокой энергией. Тогда возникла новая теория, основанная на принципе так называемой «суперсимметрии».

Грубо говоря, эта теория утверждает, что «правильные» уравнения реакций между частицами должны обладать одним общим свойством — они должны быть полностью симметричны относительно замены частиц из класса «бозонов» (к которым относится в частности, световая частица — фотон) на частицы из класса «фермионов» (к которым относится, в частности, электрон). А далее эта теория говорит: для того, чтобы нынешние уравнения (справедливые при небольших энергиях и неточные при больших) превратить в «правильные» (справедливые при всех энергиях), нужно добавить к таблице стандартной модели доселе неизвестные науке частицы — «супсрпартнеры» уже известных частиц (например, «фотино» вдобавок к фотону, «сэлектрон» вдобавок к электрону, «скварк» вдобавок к кварку). Разумеется, свойства этих новых частиц не могут быть любыми — они должны быть такими, чтобы уравнения, описывающие их реакции, превратились в «суперсимметричные». Такое требование позволяет вычислить, какими же должны быть эти свойства — масса, электрический заряд, момент вращения, взаимодействие с различными силами и полями и тому подобное — у разных «суперпартнеров».

В современной физике новые частицы иногда открываются не в экспериментах, не в ускорителях, а «на кончике пера». В данном случае, одна из новых частиц, предсказываемых теорией суперсимметрии, имеет прямое отношение к нашему рассказу о темном веществе. Частица эта — нейтралино. Она не имеет электрического заряда (отсюда ее название — НЕЙТРА-лино). Эта частица существует в нескольких видах, отличающихся массой. Обычно, когда говорят «нейтралино», имеют в виду самое легкое из разных «нейтралин», но даже оно тяжелее атома водорода — и притом тяжелее в 1000 и более раз.

Нейтралино — очень массивная частица, но в силу отсутствия у нее заряда она, в отличие от атомов обычного вещества, не взаимодействует со светом (то есть с электромагнитным полем). Вообще, она очень слабо взаимодействует с обычными частицами и всеми другими суперпартнерами. В этом отношении она очень похожа на нейтрино, только по массе является полной противоположностью: масса нейтрино практически равна нулю. Поэтому нейтрино проходят огромные слои вещества, почти не взаимодействуя с его атомами, а массивное нейтралино хоть немного, но оставляет за собой след такого взаимодействия — ядра атомов, задетые этой частицей, будут слегка отклоняться со своего пути. (Взаимодействуй нейтралино с обычным веществом чуть сильнее, и оно проходило бы сквозь него, как танк, оставляя за собой сплошные обломки и развалины.) Ученые рассчитывают обнаружить нейтралино с помощью такого рассеивания атомных ядер при прохождении этой невидимой частицы. Но пока что им это не удалось.

Большая масса нейтралино означает, что при их создании (на первых этапах жизни Вселенной) основная часть затраченной на это энергии пошла на их массу, а не на скорость; поэтому все нейтралино движутся медленно, они как бы имеют низкую температуру (чем меньше температура, тем медленнее движение, и наоборот). Иными словами, нейтралино — это «холодные» частицы. Напротив, малая масса нейтрино означает, что эти частицы движутся быстро — и действительно, согласно измерениям, скорость нейтрино близка к скорости света; стало быть нейтрино — это «горячие» частицы. Сходство их — только в том, что и тс, и другие практически не взаимодействуют с обычным веществом. Поэтому столкновения с электронами или фотонами не MOiyr возбудить эти частицы, а следовательно — не могут заставить их светиться. Если бы вся Вселенная состояла только из нейтралино, это была бы темная и «холодная» (состоящая из медленных частиц) Вселенная; если бы она вся состояла из нейтрино, это была бы темная и «горячая» Вселенная. Таким образом, любое большое (в галактических масштабах) скопление нейтралино должно представлять собой невидимую, но массивную область, способную оказывать воздействие на движение галактики как целого.

Но это — как раз те признаки, которыми мы выше охарактеризовали «темное вещество». Поэтому можно с полным основанием сказать, что фактически теория суперсимметрии предсказывает существование темного вещества и объясняет, из чего оно состоит. Остается лишь проверить это объяснение, то есть найти нейтралино в эксперименте. Однако энергии существующих ускорителей недостает, чтобы создать массивное нейтралино, и астрофизики возлагают надежды на непрямые доказательства. Как мы уже говорили, недавно такие указания как будто появились. Приборы, улавливающие потоки гамма-лучей, установленные на спутнике Европейского космического агентства, обнаружили такие потоки, которые можно объяснить только процессами столкновения и взаимного уничтожения очень тяжелых суперчастиц и анти-суперчастиц в центре нашей галактики. Возможно, это и есть искомые нейтралино, причем даже не самые легкие из них.

Другим кандидатом на роль главной составляющей темного вещества является так называемый «аксион». Существование этой экзотической частицы, тоже отсутствующей в «стандартной модели», предсказывается другой новой теорией, а именно — теорией «сильного», или кваркового, взаимодействия (той самой, за которую недавно была присуждена очередная Нобелевская премия по физике). А именно, кварки, из которых состоят частицы атомного ядра — протоны и нейтроны, — располагаются в этих частицах так, что электрически нейтральный нейтрон должен на самом деле представлять собой слабый электрический диполь. Так называют систему, состоящую из положительного и отрицательного зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга: система в целом электрически нейтральна, но поскольку заряды сдвинуты один относительно другого, их электромагнитные поля не компенсируются полностью и система в целом имеет небольшое «дипольное» поле. Благодаря этому она способна излучать электромагнитные волны, если ее заряды то сближаются, то отдаляются. Эксперименты, однако, показали, что дипольное поле нейтрона много меньше, чем предсказывается теорией сильного взаимодействия. Чтобы сохранить теорию (а она очень хорошо объясняет многие другие явления), оказалось необходимым постулировать существование особой частицы, которую назвали аксионом.

Сохранение теории сильного взаимодействия требует определенных свойств аксиома. В свободном пространстве он должен иметь очень малую массу (примерно в 1000 раз меньше массы электрона). Хотя и нейтральный, он в то же время должен быть способным взаимодействовать с сильными магнитными полями, быстро распадаясь на два высокоэнергичных фотона, соответствующих ренгтеновскому диапазону электромагнитного спектра. Проще говоря, в сильном магнитном поле аксион должен распадаться, выбрасывая два ренгтеновских луча. В области с очень большой гравитацией — например, близко к поверхности звезд — могут существовать более массивные, но зато очень коротко живущие аксионы. Их распад в магнитном поле звезды должен сопровождаться нагревом внешней части звезды, ее «атмосферы», до очень высоких температур. Не этим ли объясняется загадка высоконагретой (свыше 1 миллиона градусов) «короны», окружающей наше Солнце?

Поскольку в отсутствие магнитных полей аксионы не взаимодействуют с обычным веществом, их скопления, возникшие на ранних этапах жизни Вселенной, тоже могут претендовать на роль «темного вещества». Но вблизи галактического центра, где наверняка существуют сильнейшие магнитные поля, должен идти непрерывный распад тяжелых аксионов с таким же непрерывным выбрасыванием ренгтеновского излучения. И действительно — в последнее время такое рассеянное ренгтеновское излучение, идущее из галактического центра, уже обнаружено. Но вызвано ли оно аксионами, пока сказать нельзя.

В прямом эксперименте аксионы также не обнаружены, как и нейтралино. Физики надеются обнаружить их после введения в строй самого мощного в мире ускорителя, который сейчас строится в Женеве. А тем временем уже появляются попытки совсем иных объяснений темного вещества — например, как скоплений «черных дыр» минимальных размеров или «горячих» нейтрино. Недавние измерения реликтового космического излучения (оставшегося со времен зарождения Вселенной), показали, что это поразительное невидимое вещество составляет четверть всей массы Вселенной. Это в 6 раз больше, чем масса «видимого» вещества (всех звезд и газа), и понятно, что темное вещество «заправляет» Вселенной в куда большей мере, чем обычное. Тем более хочется разгадать, что же это такое.

Термин «темное вещество» был введен в 1933 году американским астрономом Цвикки. Он изучал скопления галактик и заметил непонятные аномалии в движении отдельных галактик внутри этих скоплений. Любая взятая случайно галактика движется так, как будто общая масса скопления больше суммы масс входящих в него галактик. Поскольку эта «излишняя» масса невидима, Цвикки предложил назвать ее «темной». Несколько позже в скоплениях были обнаружены облака горячего газа. Их измеренные характеристики позволили независимым образом рассчитать массы тех же скоплений. Она опять оказалась больше суммы ее составных частей. Возникло впечатление, что в скоплениях галактик действительно имеется невидимая, «темная» масса, в несколько раз превосходящая массу всего видимого вещества (звезд и газа).

Через несколько десятилетий после Цвикки американка Вера Рубин заметила подобные аномалии в движении отдельных звезд внутри вращающихся спиральных (плоских) галактик. В отличие от твердого диска, галактика не вращается как единое целое — каждая звезда движется сама по себе, вращаясь вокруг центра галактики, как планета вокруг Солнца, только «Солнцем» для нее является вся та масса галактики, которая ближе к центру, чем эта звезда. Законы Ньютона приводят к выводу, что в этом случае скорость звезды по мере ее удаления от центра галактики должна спадать.

Но Рубин обнаружила, что на самом деле скорость всех звезд, начиная с некоторого расстояния от центра, становится постоянной. Такое впечатление, что предписанный ньютоновой механикой спад скорости по мере удаления звезды от основной массы галактики компенсируется наличием какой-то дополнительной невидимой массы. Чтобы полностью компенсировать этот спад, невидимая масса должна нарастать пропорционально расстоянию до центра галактики. Это означает, что каждая галактика погружена в огромное сферическое облако невидимого («темного») вещества. Рассчитано, к примеру, что в случае нашей галактики диаметр этого облака составляет примерно 300 тысяч световых лет — в 3 раза больше диаметра самого Млечного Пути.

Гипотеза темного вещества объясняет особенности движения вещества в галактиках и их скоплениях, но не может объяснить некоторые другие загадки. Например, чтобы понять с ее помощью наблюдаемые различия в аномалиях вращения газа в разных галактиках, нужно постулировать, что темное вещество в каждой из них распределяется по-своему, то есть всякий раз приходиться подгонять его плотность в сферическом облаке иным образом. Это некрасиво. Между тем большие физики заповедали всем прочим, что правильная теория должна быть также изящной.

Далее, эта гипотеза не может объяснить также весьма странную особенность гигантских эллиптических галактик: сегодня считается, что они возникли из слияния спиральных галактик поменьше, а между тем их периферийные звезды вращаются так, как будто никакого темного вещества в них нет. Ну, и наконец, никто до сих пор не нашел никакого следа тех экстравагантных нейтралино и аксионов, из которых, как предполагают, состоит темное вещество.

Большинство астрофизиков примирились с этими недостатками в надежде, что со временем им удастся их устранить. Однако некоторые «еретики» пошли другим путем. Они попытались объяснить аномалии движения звезд в галактиках, не обращаясь к гипотезе темного вещества. Вместо этого они выдвинули другую гипотезу, предположив, что на больших расстояниях от центра галактики закон тяготения Ньютона (согласно которому сила тяготения спадает обратно пропорционально квадрату расстояния от притягивающего тела) сменяется другим законом (по которому сила тяготения спадает медленней).

Были предложены различные варианты этого «неньютонова закона тяготения». Всем им, как первым заметил израильский физик Мильгром, был присущ один общий недостаток. Какую бы зависимость от расстояния ни придумать, она неизбежно приведет к выводу, что отличие движения периферийных звезд от ньютоновских предписаний должно быть тем больше, чем больше расстояние этих звезд до центра, то есть чем больше размеры галактики. Но это противоречит наблюдениям: есть тусклые маленькие галактики с очень большими аномалиями и большие, яркие спиральные галактики с малыми аномалиями. Исходя из этого, Мильгром еще в 1983 году предложил принципиально иное изменение закона Ньютона. По его гипотезе, величина аномалии, то есть отклонения движения звезды от ньютоновского, зависит не от расстояния этой звезды до центра галактики, а от ее центростремительного ускорения при движении по «орбите» вокруг этого центра.

Гипотеза Мильгрома получила название МОНД, или «МОдифицированнная Ньютонова Динамика (см. „3-С“, 6/02)». Согласно ней, звезды, движущиеся под воздействием гравитации с ускорением больше какой-то критической величины, движутся нормально, «по-ньютоновски», с обычным ускорением силы тяжести. А вот те звезды, которые по ньютоновскому закону гравитации должны были бы иметь ускорение меньше критического, на самом деле движутся так, будто на них действует другая, неньютонова сила гравитации, которая сообщает этим звездам иное ускорение. Говоря проще, ньютонова механика неприменима там, где она дает телу ускорение меньше критического. Именно такие малые ускорения имеют звезды на периферии галактик. Это означает, что МОНД предлагает объяснить все аномалии в движении таких звезд отклонением от обычного (ньютонова) закона гравитации, без всякого темного вещества. И это ей удается.

На данный момент эта теория сумела успешно, то есть в соответствии с наблюдениями, предсказать движение периферийных звезд более чем в ста галактиках, исходя только из наблюдаемого распределения звезд и газа в них. Теориям, основанным на гипотезе о темном веществе, приходится для этого подгонять для каждой галактики целых три различных параметра. Так же успешно Милырому удалось объяснить и загадку эллиптических галактик: оказалось, что у них, даже на периферии, ускорения звезд много больше критического, а следовательно, движение этих звезд должно быть ньютоновым, — что и наблюдается.

Как уже сказано, большинство специалистов придерживаются гипотезы темного вещества. Не потому, что она святотатственно покушается на законы Ньютона (после Эйнштейна и Бора в физике уже нет священных коров), но по той причине, что МОНД входит в противоречие с двумя китами, на которых стоит современная наука — с общей и частной теорией относительности. Тем не менее у МОНД с каждым годом появляется все больше сторонников. Публикуется все больше научных статей, в которых эти ученые пытаются найти такие расширения теории Мильгрома, что сохранили бы ее плюсы и устранили минусы — прежде всего, разумеется, расхождения с теорией Эйнштейна.

Дальше всех на этом пути продвинулись коллега Милырома Сандерс и израильский физик Бекенштейн, которым удалось найти релятивистскую форму МОНД. А недавно появилось сообщение, что Бекенштейн разработал обобщенную теорию, которая при очень больших скоростях и при ускорениях больше критического, переходит в эйнштейнову теорию гравитации (то есть в общую теорию относительности), при малых скоростях и при ускорениях больше критического — в ньютонову теорию гравитации, а при тех же малых скоростях, но при ускорениях меньше критического — в теорию гравитации Мильгрома. Иными словами, эта теория снимает прежние противоречия между МОНД и ОТО.

Любопытно, что по теории Бекенштейна слабые отклонения от ньютоновой механики должны наблюдаться даже на относительно небольших расстояниях — например, в пределах Солнечной системы. Ускорение, получаемое телами на большом расстоянии от Солнца, должно быть «милыромовским», то есть чуть больше, чем по Ньютону. Возможно, именно этим объясняется загадочный эффект, давно смущающий ученых: два космических корабля («Пионеры»), запущенные много лет назад и сейчас находящиеся как раз на окраине Солнечной системы, неожиданно стали слегка ускоряться. Противники МОНД объясняют это чисто техническими причинами. Недавно выдвинуто предложение (оно всерьез рассматривается в НАСА) послать к «Пионерам» современный корабль, который перехватит их до выхода из Солнечной системы и в точности выяснит, что с ними происходит.

Будет очень интересно, если окажется, что происходящее с ними совпадает с предсказаниями новых теорий, что, в свою очередь, заставит по-иному взглянуть и на темное вещество.

Владимир Сурдин