Астрономия для "чайников" - Стивен Маран

Во время Большого Взрыва — потрясающего извержения энергии, в результате которого родилась Вселенная, — возможно, было создано множество странных "темноматериальных" частиц, из которых впоследствии осталось всего несколько. Сюда относится аксион (axion), представляющий собой что-то вроде миниатюрной черной дыры; он легче электрона в 100 миллиардов раз. И хотя аксионы очень легки, если их будет достаточно много, то они внесут значительный вклад в увеличение космической массы. Недавние эксперименты показывают, что нейтрино (частицы, которые, как раньше думали, имеют нулевую массу) на самом деле имеют массу и тоже могут вносить свой небольшой вклад в общую массу темной материи.

 Другие кандидаты на роль представителей странной темной материи более тяжелые— их масса примерно в 10 раз больше массы протона, но все равно они слишком легки, если только не присутствуют в очень больших количествах. Сюда относятся также еще не открытые "партнеры" таких субатомных частиц, как кварки (quark) и фотоны (photon); их называют скварки (squark) и фотино (photino) соответственно. Собирательное название всей этой экзотики — слабо взаимодействующие массивные частицы (Weakly Interacting Massive Particle — WIMP).

В поисках темной материи

Физики всего мира разрабатывают чувствительные детекторы, позволяющие обнаруживать неуловимые, но неопровержимые признаки темной материи. Некоторые ученые анализируют осколки субатомных частиц, полученные в гигантских ускорителях ядерных частиц, где можно быстро воссоздать условия (температуру, энергию, плотность), которые были на заре формирования Вселенной.

Но методы поиска должны быть новаторскими. В конце концов, ученые ищут вещество, которое по определению нельзя увидеть и которое, если не считать тяготения, никак не взаимодействуют с другой материей.

Следы WIMP-частиц

Давайте подумаем, сколько усилий нужно приложить, чтобы найти WIMP. Эти слабо взаимодействующие частицы нельзя удержать ни в одном контейнере, но зато ученые могут искать доказательства того, что они проходят сквозь детектор. Когда WIMP-частица проносится мимо, она слегка нагревает один из атомов детектора, придавая ему небольшую дополнительную энергию. Но такие соударения редки. В типичном лабораторном детекторе такой случай может произойти только один раз за много дней.

К сожалению, космические лучи, энергетические частицы, которые летят к нам из космоса со всех сторон, могут имитировать действие WIMP-частиц. Поэтому, чтобы минимизировать бомбардировку космическими лучами, детектор помещают в подземный туннель. Естественное радиоактивное излучение, исходящее от стен туннеля, также может нагревать атомы, поэтому детектор экранируют — помещают в свинцовый кожух. И чтобы снизить колебания атомов, вызванные увеличением их энергии при высоких температурах, детектор охлаждают до температуры абсолютного нуля.

МАСНО делают изображение более светлым

Поскольку МАСНО — это протяженные, огромные объекты, искать их намного легче. Основной метод следует из общей теории относительности Эйнштейна. Напомню: масса искажает пространство и путь световой волны. Это означает, что объект, который волей случая оказался на одной линии зрения между Землей и далекой звездой, сфокусирует свет этой звезды, и на короткое время ее блеск увеличится. Причем чем массивнее объект — в данном случае, МАСНО, — тем ярче будет звезда во время выравнивания по одной линии.

В сущности, МАСНО ведут себя, как миниатюрные гравитационные линзы, или микролинзы, искажая и усиливая свет от звезды на заднем плане. (Более подробно о микролинзировании говорилось в главе 11.)

В поисках MACHO астрономы следили за блеском звезд из Большого Магелланова Облака, одного из ближайших соседей Млечного Пути. Чтобы достичь Земли, свет звезд от Облака должен пройти сквозь гало Млечного Пути, и находящиеся там МАСНО должны оказывать заметный эффект на этот свет.

Астрономы зарегистрировали несколько случаев, когда звезды из Большого Магелланова Облака внезапно становились ярче, а затем — снова тусклыми. Но количество МАСНО, выведенное на основе этих наблюдений, совсем невелико.

Темную материю можно нанести на карту

Гораздо шире ученые пользуются эффектом гравитационного линзирования, чтобы составить карту темной материи для целых галактик или даже скоплений галактик.

 Если скопление окажется на пути световых лучей от галактики, находящейся на заднем плане, то оно исказит и искривит эти лучи — эффект гравитационного линзирования, создавая несколько изображений объекта заднего плана. Гало этих призрачных изображений формируется вокруг границ скопления, с точки зрения наблюдателей с Земли.

Чтобы создать некоторый рисунок наблюдаемых призрачных изображений, масса вставшего на пути света скопления должна быть распределена определенным образом. И, поскольку большую часть массы скопления составляет темная материя, этот метод позволяет выяснить, как темная материя распределена в скоплении.

Темная материя имеет значение

Все методы обнаружения и измерения темной материи являются косвенными, а попытки понять, что она собой представляет, — это непростое дело. Будучи преобладающей формой материи, темная материя оказывает глубокое влияние на прошлое, настоящее и будущее Вселенной.

Антиматерия: противоположности притягиваются

Но есть еще один тип материи, почти такой же странной, как темная материя. Правда, некоторые считают, что она еще более странная. Ее называют антиматерией.

 Существование антиматерии (antimatter) было предсказано в 1929 году английским физиком Полом Дираком, которому удалось объединить теории квантовой механики, электромагнетизма и относительности в одном изящном наборе математических уравнений. (Если вы хотите больше узнать об этих теориях, ищите соответствующие книги по физике.) Дирак обнаружил, что у каждой субатомной частицы должен существовать "зеркальный двойник" с такой же массой, но с противоположным электрическим зарядом. Примеры таких пар: протон и антипротон, электрон и антиэлектрон.

Когда частица и ее античастица сталкиваются, они уничтожают одна другую, т. е. происходит аннигиляция. Тогда электрические заряды нейтрализуются, а их массы преобразуются в чистую энергию.

Античастицы электрона и протона астрономы обнаружили в космических лучах, идущих из дальнего космоса. Антиэлектрон называется позитроном (positron), а антипротон — просто антипротоном (antiproton). Сейчас проводятся также эксперименты по поиску в космических лучах антигелия (antihelium). Физики смогли получить в лабораторных условиях античастицы и даже целые антиатомы, например антиводород. Врачи используют лучи античастиц для диагностирования и лечения рака.

Астрономы, изучавшие идущие из космоса гамма-лучи, наблюдали такую форму света, как аннигиляционное излучение. У гамма-излучения длина волны короче, а энергия — больше, чем у рентгеновского излучения. Когда электрон и его античастица, позитрон, сталкиваются, они аннигилируют, и при этом выделяются гамма-лучи известной длины волны. Было обнаружено, что эти "сигнальные" лучи идут из нескольких мест нашей галактики, включая широкий район, находящийся в направлении центра Млечного Пути. Было обнаружено также аннигиляционное излучение, имевшее место в результате нескольких очень мощных солнечных вспышек.

А если говорить о космических масштабах, то возникает вопрос: почему во Вселенной частиц намного больше, чем античастиц. В настоящее время проводятся эксперименты, чтобы выяснить, почему это так. Предположительно, в результате Большого Взрыва образовалось одинаковое количество тех и других. Но, по крайней мере, мы знаем, что на решение этой проблемы у нас есть еще миллиарды лет, до того как Вселенная (и мы вместе с ней) закончит свой путь, какая бы судьба ни была ей уготована.

В написании данной главы принимал участие Рон Ковен, освещающий вопросы астрономии и космоса в журнале Science News.

Глава 16

Большой Взрыв и эволюция Вселенной

В этой главе…

 Доказательства в пользу теории Большого Взрыва

 Раздувание и расширение Вселенной

 Действительно ли Вселенная ускоряется

 Космический микроволновой фон

 Измерение постоянной Хаббла и возраста Вселенной

Давным давно, около 12–14 миллиардов лет назад, Вселенной в том виде, как мы ее знаем, не существовало. Материи не было — ни одного атома. Света тоже не было — ни одного фотона. Пространство еще не было создано, и космические часы еще не начали тикать.