Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса

А при чем тут вообще темная материя? Ну, смотрите, некоторые частицы сами себе античастицы. Если рассматривать Стандартную модель, то это касается, например, бозона Хиггса, бозона Z и, возможно, нейтрино. Есть причины полагать, что вимпы темной материи тоже будут своими же античастицами. Но как им тогда удается существовать в огромных количествах в космическом пространстве? Дело вот в чем: эти частицы пересекаются настолько редко, что способны прожить миллиарды лет, пока не аннигилируют. Но иногда вимпы, конечно, встречаются, и тогда происходит аннигиляция. А оставшаяся от них энергия сможет преобразоваться в гамма-излучение, например, или электрон и позитрон, а эти частицы мы уже способны увидеть. Вот вам и следы темной материи. Следы вимпов в космосе

Международная космическая станция парит в 400 километрах над поверхностью Земли, двигаясь со скоростью почти восемь километров в секунду. Это самый большой созданный руками человека объект за пределами атмосферы Земли: по размерам МКС соответствует футбольному полю. Международная космическая станция — совместный проект ряда стран, в том числе США, России и Японии, а также Европейского космического агентства (ЕКА), членом которого является и Норвегия. На МКС работают ученые из всех уголков мира, а потому космическая станция считается символом сотрудничества вопреки культурным и национальным различиям. Но, прежде всего, это исследовательская лаборатория. Здесь проводятся эксперименты, которые невозможно повторить на Земле, — без влияния атмосферы и веса.

Магнитный альфа-спектрометр (Alpha Magnetic Spectrometer, AMS) — это один из экспериментов на Международной космической станции. Этот прибор размером с автомобиль установлен снаружи станции, а его главная миссия — поиски следов аннигилировавших частиц темной материи. С особым усердием AMS ищет вимпы, превратившиеся вследствие аннигиляции в электроны и позитроны. Из-за того, что позитроны неспособны преодолеть атмосферу Земли, спектрометр и установили в космосе. Войдя в атмосферу, позитроны сталкиваются с электронами, и начинается реакция аннигиляции. А в почти полной пустоте космоса даже таким античастицам, как позитроны, удается проходить большие расстояния не исчезая.

Электрон, а следовательно, и позитрон — частицы очень легкие. У нас есть веские основания полагать, что вимпы темной материи должны быть гораздо массивнее. Если два вимпа аннигилируют, они выделяют много энергии, намного больше, чем необходимо для образования электрона и позитрона. Что же происходит с этой лишней энергией? Она придает электрону и позитрону большую скорость. А чем тяжелее вимпы, тем больше энергии достанется электронам и позитронам, тем самым ускоряя их. Таким образом, магнитный альфа-спектрометр будет отличать электроны и позитроны, полученные в результате аннигиляции вимпов, по огромным скоростям, близким к скорости света. И в этом случае по величине скорости можно будет рассчитать первоначальную массу вимпов.

Так что же обнаружил спектрометр? На данный момент команда ученых зарегистрировала большое количество как электронов, так и позитронов, которые достигли их детектора на огромных скоростях. Электроны есть абсолютно везде, поэтому сам факт их встречи с детектором особого удивления не вызывает. Но что насчет попавших в эксперимент позитронов, то есть античастиц? Может, они и есть следы аннигиляции темной материи? К сожалению, не все так просто. Во Вселенной существуют и другие процессы, порождающие позитроны. Например, источником позитронов могут быть быстро вращающиеся нейтронные звезды. Об этих звездных останках я упоминал ранее в книге: они настолько компактны, что бутылка из-под газировки с веществом нейтронной звезды весит столько же, сколько вся вода в озере Мьёса.

И как тогда понять, что в эксперимент попадают позитроны, образованные именно аннигиляцией вимпов? Есть один отличительный признак, на который стоит обращать внимание, — скорость позитронов.

Скорость позитронов, как я уже говорил, зависит от массы аннигилировавших вимпов. После того, как энергия из массы вимпов превратилась в электрон и позитрон, остается определенное количество энергии, которая, в свою очередь, может придать им ускорение. Тогда можно предположить, что все позитроны, появившиеся из-за аннигиляции вимпов, будут обладать одинаковой, невероятно большой скоростью. Но и тут не все так просто. У вимпов ведь до столкновения тоже могла быть своя скорость, которая будет суммироваться со скоростью позитронов.

Или вимпы могли сначала аннигилировать и превратиться в частицы другого типа, которые позже образовали позитроны. А еще скорость позитрона могла измениться во время путешествий по космосу. В общем, все сложно. Но, принимая во внимание подобные факторы, все равно можно сделать предположения о количестве позитронов с различными скоростями.

AMS провел точные измерения скоростей замеченных им позитронов. Пока результаты не особо впечатляют и не очень похожи на то, что можно было бы ожидать от аннигиляции вимпов. Но еще рано делать какие-либо выводы. У позитронов бывают и другие источники. Чтобы узнать больше, нужно изучить позитроны, которые движутся еще быстрее и, соответственно, обладают большим количеством энергии, чем те, которые удалось заметить детекторам. В любом случае AMS — великолепное руководство по поиску темной материи через косвенные улики, такие, например, как позитроны.

Но о том, произошли позитроны от вимпов или нет, свидетельствует не только скорость. Не менее важно и то, откуда они пришли. Ведь для аннигиляции вимпам нужно сначала встретиться. Столкновение наиболее вероятно там, где скопления вимпов наиболее плотные. Темная материя распределена по всему пространству и всем галактикам. Как вы помните, считается, что Млечный Путь плавает в равномерном супе из темной материи. Тем не менее считается, что в центре Галактики этот суп плотнее всего. А поэтому наибольшее количество столкновений вимпов стоит ожидать там же. У нас также есть некоторые представления о том, как будет уменьшаться количество столкновений частиц темной материи по мере удаления от центра.

Разве магнитный альфа-спектрометр не способен просто определить, откуда приходят позитроны, и проверить, является ли это типичным местом скопления темной материи?

Боюсь, что нет. У позитронов есть электрический заряд, а частицы с электрическим зарядом испытывают отклонение, проходя через области магнитных полей. Магнитных полей в нашей Галактике полно. Так что позитрон, идущий из центра Галактики, вполне может попасть в спектрометр с совершенно другого направления.

Как тогда определить, где произошла аннигиляция вимпов? Никто не говорил, что два вимпа обязательно станут электроном и позитроном. Они могут стать и другими частицами, причем такими, которые не имеют электрического заряда, а следовательно, не слишком сильно меняют направление при пересечении магнитного поля Млечного Пути.

Хороший пример — гамма-излучение, то есть фотоны высокой энергии. Если мы сможем наблюдать гамма-излучение от двух аннигилировавших вимпов, то направление, из которого оно исходит, расскажет нам о том, где это излучение родилось.

На сегодняшний день существует два способа поиска гамма-излучения от аннигилировавших вимпов — в космосе и косвенно на поверхности Земли. Как и электроны с позитронами, гамма-излучение не в силах преодолеть атмосферу. Следовательно, для прямого наблюдения за гамма-излучением придется отправиться в космос. Телескопам на Земле недоступно изучение непосредственно гамма-излучения: они видят лишь следы, которые образуются в атмосфере от попадания гамма-лучей.

Дальше я сосредоточусь на прямых измерениях гамма-излучения в космосе. Выдающийся представитель «космических гамма-телескопов» расположен, например, на спутнике «Ферми». Спутник, являющийся совместным проектом нескольких стран, назван в честь того самого Энрико Ферми, которого я недавно цитировал. Помните, он еще не мог запомнить названия всех частиц, потому что не был ботаником. Телескоп «Ферми» предназначен специально для наблюдения за гамма-излучением, а начал свою работу он в 2008 году.

Как уже упоминалось, преимущество поиска гамма-излучения перед позитронами состоит в том, что гамма-излучение движется по прямым линиям. Соответственно, телескоп «Ферми» может обнаружить, откуда исходит гамма-излучение. Возникает очевидный вопрос: наблюдается ли особая интенсивность гамма-излучения там, где мы рассчитываем найти темную материю? И — барабанная дробь — ну… как сказать…

Да, «Ферми» обнаружил много гамма-излучения в центре Млечного Пути, а причиной этому может быть аннигиляция вимпов. Проблема лишь в том, что во Вселенной просто куча других источников этого излучения, и в центре нашей Галактики они тоже есть. Вспомним о нейтронных звездах — эти компактные хулиганы плюются не только позитронами, но и гамма-излучением.

Другая проблема заключается в том, что аннигиляция вимпов может создавать гамма-излучение самыми разными способами. Умей природа самостоятельно разоблачать вимпы темной материи, все аннигилировавшие вимпы становились бы двумя гамма-фотонами, то есть двумя вспышками электромагнитного излучения, расходящегося в разных направлениях. А количество энергии каждого фотона определялось бы формулой Е=mc². Масса вимпов определяла бы, сколько энергии будет в гамма-излучении. Всё гамма-излучение, исходящее от вимпов, имело бы точно такое же количество энергии, и эта энергия выдавала бы нам массу вимпов. Так просто! К сожалению, чересчур просто.

Реальность же такова, что большинство гамма-лучей, исходящих от вимпов, формируется не сразу. Чаще всего ситуация выглядит так: два вимпа аннигилируют в другие частицы, например, в тау и антитау. Эти частицы нестабильны и, прожив совсем недолго, трансформируются во что-то еще. Во время этих трансформаций появляется гамма-излучение. В результате аннигилировавшие вим- пы будут испускать гамма-излучение всевозможной энергии. Но ни один из испускаемых гамма-фотонов не может иметь энергию большую, чем позволяет масса вимпа. Поэтому мы ожидаем, что у гамма-излучения от вимпов будет определенный предел, за которым оно прекратится. Это и есть те следы, которые мы ищем.

В совокупности проблемы с гамма-излучением настолько велики, что пока ни к какому выводу прийти не удалось. Ученые наблюдали излучение, причиной которого могли быть как аннигилировавшие вимпы, так и другие источники.

Чтобы разобраться с этой путаницей были предприняты попытки изучить гамма-излучение, исходящее из объектов другого интересного типа: карликовых галактик. Карликовые галактики — это просто маленькие галактики. Если Млечный Путь содержит несколько сотен миллиардов звезд, то в карликовых галактиках их до нескольких миллиардов. Нам известно более 20 таких карликовых галактик, обращающихся вокруг Млечного Пути. Особенно привлекают охотников за вимпами два качества таких галактик. Во-первых, они достаточно спокойные. По сравнению с центром Млечного Пути, типичная карликовая галактика содержит меньше известных источников гамма-лучей, которые могут сбить с толку. Во-вторых, карликовые галактики содержат большое количество темной материи, это можно вычислить, изучая движение в них звезд. Судя по описанию, лучше места для наблюдения за аннигилирующими вимпами не придумаешь: много темной материи и мало другого гамма-излучения. И ученые наблюдали и наблюдали. Недавно (книга написана весной 2015-го) сообщили о первых открытиях интересных гамма-лучей от карликовых галактик, но пока что наблюдения недостаточно точны, чтобы понять, задействована ли там темная материя.А мы видели вимпы?