Темное вещество у вас в гостиной
Если вселенная заполнена темным веществом, то оно существует не
только в холодном космическом вакууме. В сущности, темное веще-
ство можно также обнаружить и у вас в гостиной. Сегодня несколько
исследовательских групп соревнуются за первенство в поимке ча-
стицы темного вещества в лаборатории. Ставки высоки: ученые той
группы, которой удастся поймать частицу темного вещества, про-
носящуюся сквозь детектор, окажутся первыми, кто открыл новую
форму вещества за две тысячи лет.
Основная идея этих экспериментов заключается в следующем:
необходим большой кусок чистого материала (такого, как йодид на-
трия, оксид алюминия, фреон, германий или кремний), в котором мо-
жет происходить взаимодействие частиц темного вещества. Время
от времени частица темного вещества может сталкиваться с ядром
атома, создавая характерную картину распада. Фотографируя следы
частиц, участвующих в этом распаде, ученые смогут подтвердить
присутствие темного вещества.
Экспериментаторы полны сдержанного оптимизма, поскольку
находящееся в их распоряжении чувствительное оборудование
предоставляет им наилучшую возможность для наблюдения темного
вещества. Наша Солнечная система вращается по орбите вокруг
черной дыры в центре Галактики Млечный Путь со скоростью
220 километров в секунду. В результате этого наша планета проходит
сквозь значительное количество темного вещества. Согласно расче-
там физиков, миллиард частиц темного вещества в секунду пролетает
сквозь каждый квадратный метр нашего мира, в том числе сквозь
наши тела.
Хотя мы живем в «ветре темного вещества», дующем сквозь
нашу Солнечную систему, лабораторные эксперименты по обна-
ружению темного вещества чрезвычайно сложны из-за того, что
частицы темного вещества вступают в столь слабое взаимодействие
с обычным веществом. Так, ученые ожидают за год обнаружить от
0, 01 до 10 событий, происходящих в килограмме материала, наблю-
дающегося в лаборатории. Иными словами, пришлось бы многие
годы внимательно наблюдать за большими количествами материала,
чтобы увидеть события, имеющие отношение к столкновениям тем-
ного вещества.
До сих пор в ходе таких экспериментов, как UKDMC в Велико-
британии, ROSEBUD в Канфранке (Испания), SIMPLE в Рустреле
(Франция) и Edelweiss в городе Фрежус (Франция), подобных со-
бытий обнаружено не было. Эксперимент под названием DAMA (ot
Dark Matter— «темное вещество»), проводившийся неподалеку
от Рима, вызвал шумиху в 1999 году, когда ученые заявили, что на-
блюдали частицы темного вещества. Поскольку в детекторе DAMA
используется 100 килограммов йодида натрия, он является самым
большим в мире. Однако попытки воспроизвести тот же результат
при помощи других детекторов не увенчались успехом — не было
обнаружено ничего; и это бросило тень сомнения на данные, полу-
ченные в ходе эксперимента DAMA.
Физик Дэвид Б. Клайн замечает: «Если детекторы уловят и под-
твердят сигнал, то это станет одним из крупнейших достижений
двадцать первого столетия... Вскоре может разрешиться величайшая
загадка современной астрофизики».
Если надежды физиков оправдаются и темное вещество вскоре
будет обнаружено, то оно может представить доказательство в поль-
зу суперсимметрии (а вероятно, с течением времени и в пользу тео-
рии суперструн) без использования ускорителей частиц.
SUSY — суперсимметричное темное вещество
Беглый взгляд на частицы, существование которых предсказывает
суперсимметрия, показывает, что есть несколько потенциальных
претендентов на объяснение тайны темного вещества. Одним из
них является нейтралино, семейство частиц, куда входит суперпар-
тнер фотона. С теоретической точки зрения нейтралино, кажется,
соответствует имеющимся данным. Нейтралино не только имеет
нейтральный заряд, а потому невидимо, — оно также массивно (а
потому на него воздействует только гравитация), а кроме того, оно
стабильно. (Такая ситуация складывается потому, что нейтралино
обладает наименьшей массой из всех частиц семейства, к которому
оно принадлежит, а потому оно не может распадаться до каких-то
более легких частиц). И наконец, последним и, вероятно, важнейшим
моментом является то, что во вселенной должно быть полно ней-
гралино, что делает их идеальными претендентами на роль темного
вещества.
У нейтралино есть одно веское преимущество: они, возможно,
способны разрешить загадку, почему темное вещество составляет
£ 3 % вещественно-энергетического содержимого вселенной, в то
даремя как водород и гелий отвечают лишь за какие-то жалкие 4 %.
Вспомним о том, что когда Вселенной было 380 ООО лет, темпе-
paтypa продолжала снижаться до тех пор, пока атомы уже не раз-
рывало на части при столкновениях, вызванных невероятным жаром
Большого Взрыва. В то время изначальный огненный шар начал
остывать, конденсироваться и образовывать устойчивые целые ато-
мы. Общее количество атомов восходит приблизительно к тому вре-
менному отрезку. Вывод таков: относительное содержание вещества
во Вселенной складывалось в то время, когда Вселенная достаточно
остыла, чтобы это вещество могло стать стабильным.
Этот же самый аргумент можно использовать при подсчете отно-
сительного содержания нейтралино. Сразу после Большого Взрыва
температура была настолько высока, что даже нейтралино уничто-
жались при столкновениях. Однако по мере остывания Вселенной,
некоторое время спустя, температура снизилась достаточно, чтобы
стало возможным образование нейтралино без их последующего
уничтожения. Относительное содержание нейтралино во Вселенной
надо искать именно в той ранней эпохе. Осуществляя это вычисле-
ние, мы обнаруживаем, что относительное содержание нейтралино
намного выше содержания атомов и, в сущности, приблизительно
соответствует процентному содержанию темного вещества в на-
стоящее время. Таким образом, суперсимметричные частицы могут
объяснить, почему настолько высоко относительное содержание
темного вещества во Вселенной.
Слоановский обзор неба
Хотя многие из достижений двадцать первого столетия будут заклю-
чаться в усовершенствовании оборудования, такого, как спутники,
это вовсе не означает, что прекратятся работы с оптическими теле-
скопами и радиотелескопами, базирующимися на Земле. В сущности,
благодаря цифровому перевороту произошли изменения в исполь-
зовании оптических телескопов и радиотелескопов; стал возможен
статистический анализ сотен тысяч галактик. Сегодня благодаря
этой новой технологии телескопы переживают второе рождение.
На протяжении всей истории астрономы воевали за то ограни-
ченное время, которое им разрешалось проводить за наблюдениями
у объективов величайших телескопов мира. Они ревностно отста-
ивали драгоценные часы, отведенные им на наблюдения, проводя
долгие ночные часы за работой в холодных сырых помещениях. Этот
устаревший способ наблюдения был чрезвычайно неэффективен и
часто служил причиной ожесточенных споров среди астрономов,
которые чувствовали себя ущемленными со стороны «верхушки»,
монополизировавшей время работы за телескопами. С появлением
Интернета и высокоскоростных компьютеров такая ситуация меня-
ется.
Сегодня многие телескопы полностью автоматизированы; их
работой могут управлять астрономы с различных континентов,
находящиеся за тысячи миль от самих телескопов. Результаты этих
сложных звездных обзоров могут быть оцифрованы и размещены в
Интернете, где полученные данные можно подвергнуть обработке
с помощью суперкомпьютеров. Одним из примеров применения
этого цифрового метода может служить SETI(S> home, проект, раз-
мещенный в Калифорнийском университете в Беркли и предна-
значенный для изучения сигналов, несущих признаки внеземного
разума. Большое количество данных, полученных радиотелескопом
Аресибо в Пуэрто-Рико, разбивается на маленькие части и через
Интернет отсылается на персональные компьютеры по всему миру.
Преимущественно эти данные попадают клюбителям, непрофессио-
налам. Программа, выполненная в форме скринсейвера, анализирует
данные на предмет сигналов внеземного разума в те моменты, когда
компьютер не задействуется пользователем. При помощи этого ме-
тода данная исследовательская группа создала величайшую компью-
терную сеть в мире, связьшающую около 5 миллионов персональных
компьютеров во всех уголках земного шара.
Наиболее выдающимся примером современного исследования
Вселенной при помощи цифровыхтехнологий является Слоановский
обзор неба — наиболее амбициозный из всех, когда-либо имевших
место. Подобно проведенному ранее Паломарскому обзору неба,
при котором использовались фотопластинки старого образца, хра-
нившиеся в громоздких стопках, Слоановский обзор неба ставит
целью создание точной карты небесных объектов. При помощи дан-
ного обзора удалось построить трехмерные карты далеких галактик
в пяти цветах, включая красное смещение более миллиона галактик.
Результатом Слоановского обзора неба является крупномасштабная
карта строения Вселенной, в несколько сотен раз превосходящая
все предыдущие. На карте будет в мельчайших деталях представлена
четверть всего небосвода, а также определено положение и яркость
100 миллионов небесных объектов. Кроме того, в результате этого
обзора будет определено расстояние до миллиона с лишним галактик
и около 100 тысяч квазаров. Итоговое количество информации, выяс-
ненной входе Слоановского обзора, составит 15 терабайт (триллион
байт), что вполне может соперничать с количеством информации в
Библиотеке Конгресса.
Сердцем Слоановского обзора является 2, 5-метровый телескоп
на юге штата Нью-Мексико, к которому подсоединена одна из луч-
ших в мире камер. Прибор снабжен тридцатью чувствительными
электронными световыми сенсорами, называемыми ПЗС (прибор
с зарядовой связью), с площадью 2 квадратных дюйма (ок. 13 см2)
каждый, помещенными в вакуум. Каждый сенсор охлажден до -80°С
при помощи жидкого азота и содержит 4 миллиона пикселей. Таким
образом, весь свет, улавливаемый телескопом, может быть немедлен-
но оцифрован при помощи ПЗС, после чего данные доступны для
компьютерной обработки. Стоимость проекта составляет менее
20 миллионов, долларов, что в сто раз меньше стоимости проекта
телескопа Хаббла, но тем не менее при помощи такого обзора созда-
ется потрясающая картина Вселенной.
Итак, некоторые из оцифрованных данных выкладываются в
Интернет с тем, чтобы астрономы по всему миру могли изучить их.
Таким образом можно задействовать интеллектуальный потенциал
ученых всего мира. Слишком часто в прошлом у ученых третьего
мира не было возможности доступа к последним научным журна-
лам и самым свежим данным, полученным при помощи телескопов.
Сегодня благодаря Интернету эти ученые могут загружать данные
обзоров неба, читать статьи по мере их появления в Интернете, а
также публиковать свои статьи во всемирной паутине со скоростью
света.
Слоановский обзор уже меняет методы астрономических ис-
следований. Полученные при помощи обзора результаты основаны
на анализе сотен тысяч галактик, что было совершенно немыслимо
всего лишь несколько лет назад. К примеру, в мае 2003 года команда
ученых из Испании, Германии и Соединенных Штатов заявила, что
они изучили 250 тысяч галактик на предмет доказательства суще-
ствования темного вещества. Из этого огромного количества они
выбрали три тысячи галактик, вокруг которых вращаются звездные
скопления. Применив законы механики Ньютона для изучения дви-
жения этих спутников, они рассчитали количество темного вещества,
которое должно окружать центральную галактику. Уже одним этим
они опровергли альтернативную теорию (последняя была впервые
предложена в 1983 году; она пыталась объяснить звездные орбиты
неправильной формы в галактиках путем корректировки самих за-
конов Ньютона: возможно, темного вещества не существует вообще;
возможно, своим предполагаемым существованием оно обязано
всего лишь ошибке в законах Ньютона. Данные обзора ставят эту
теорию под сомнение).
В июле 2003 года еще одна команда ученых из Германии и
Соединенных Штатов заявила, что они изучили 120 000 близле-
жащих галактик, используя Слоановский обзор для раскрытия от-
ношений между галактиками и черными дырами, находящимися в
них. Вопрос заключается в следующем: что возникло раньше, черная
дыра или галактика, в которой эта черная дыра находится? Результат
проведенного исследования показывает, что образование галактик
и черных дыр тесно связано и, вероятно, они образовались вместе.
Исследование показало, что из 120 000 изученных в ходе обзора
галактик целых 20 000 содержат черные дыры, которые продолжают
расти (в отличие от черной дыры в Галактике Млечный Путь, кото-
рая, кажется, находится в состоянии покоя). Полученные результаты
показывают, что галактики, содержащие черные дыры, которые все
еще растут в размерах, намного больше Галактики Млечный Путь, а
расширяются они путем поглощения относительно холодного газа
из галактики.
