Без темной материи само существование многих галактик, которые кажутся устойчивыми, открыто отрицает законы физики. Тот факт, что они все-таки существуют, служит одной из наиболее веских причин полагать, что в космосе существует многое, не видимое для нашего глаза.
Космический микроволновый фон
Хотя до сих пор мы не можем увидеть эту самую темную материю, мы видим доказательства ее существования везде, куда бы ни падал наш взор. Возьмем, например, космический микроволновый фон. Изучая картину распределения областей КМФ, температуры в которых немного выше и ниже средней, мы смогли многое узнать об истории развития нашей Вселенной и ее составе (рис. 6.2). Кроме всего прочего, эти вариации КМФ говорят нам о том, как была распределена материя в ранней Вселенной. Темная материя начала собираться в комки под действием гравитации раньше обычного вещества, поэтому следы ее влияния можно увидеть на небе в многочисленных маленьких горячих и холодных областях с угловыми размерами, равными примерно 0,25 градуса.
Картина распределения этих пятен позволяет нам определить, сколько должно быть темной материи. Оказывается, на 1 грамм видимого вещества в космосе должно приходиться 4 или 5 граммов, которые мы не видим.
Рис. 6.2. Сравнение ранней и современной Вселенной
Даже если бы темная материя была не нужна для удерживания галактик от разлетания, в ее отсутствие космос выглядел бы совсем по-другому. Так говорят модели Вселенной, полученные на суперкомпьютере. Такое моделирование прослеживает движение миллиардов частиц на протяжении всей эволюции Вселенной и помогает понять, почему Вселенная стала такой, какая она есть. Когда атомы газа в обычной материи сжаты в более тесном объеме, они сталкиваются чаще. Это взаимодействие стремится оттолкнуть атомы друг от друга, препятствуя дальнейшему сжатию газа под действием гравитации. С другой стороны, частицы темной материи вяло взаимодействуют друг с другом и поэтому «кучкуются» более охотно. Моделирование с учетом этих свойств показывает, что при расширении и эволюции Вселенной первыми образовывались «комки», или гало, темной материи.
Первые образовавшиеся гало темной материи были, вероятно, размером с Землю, но гораздо менее плотными. Со временем они начали слипаться и постоянно росли. В конце концов некоторые выросли настолько, что начали притягивать большое количество атомов водорода, гелия и других элементов обычного вещества. Так стали появляться зерна первых звезд и галактик.
Поражает совпадение форм и размеров структур, получаемых при моделировании поведения темной материи, с теми, которые реально наблюдаются в нашей Вселенной. Практически не остается сомнений, что темная материя реально существует и, более того, что именно она послужила питомником для формирования галактик, таких как наш Млечный Путь.
Что такое темная материя?
До сих пор мы не можем дать исчерпывающего ответа на этот вопрос. Она должна быть невидимой или, по крайней мере, едва заметной, поэтому в ее состав не должно входить ничего, что может сильно излучать, отражать или поглощать свет. Таким образом, обычное вещество, состоящее из атомов, не подходит. Так возникла гипотеза, что темную материю могут составлять большие объекты, такие как черные дыры или экзотические нейтронные звезды, или белые карлики, ведь они практически не видны в телескопы. Такие объекты даже получили специальное название: массивные астрофизические компактные объекты гало (massive astrophysical compact halo objects, MACHO). Но наблюдатели отвергли эту гипотезу. Дело в том, что сильная гравитация таких объектов отклоняла бы свет, идущий к нам от далеких звезд. Мы видим эффекты гравитационных линз, но достаточно редко: эти явления могут объяснить только несколько процентов недостающей массы.
Большинство космологов считают, что мы буквально купаемся в море темной материи, состоящей из газа слабо взаимодействующих массивных частиц, газа, который пронизывает всю галактику, включая нашу Солнечную систему. Тем не менее ни одна из частиц, открытых за последнее столетие, не годится на эту роль. Темная материя должна быть чем-то совершенно новым. За последние годы были сделаны дюжины различных предположений. Предлагались различные варианты: от тяжелых нейтрино-подобных частиц до сверхлегких гипотетических аксионов, от обычной материи со слегка искаженными свойствами (см. ниже «Странно знакомые») до действительно странных вариантов с частицами, двигающимися сквозь дополнительные пространственные измерения.
Суперсимметрия
Тем не менее для многих физиков среди этих гипотез существует явный фаворит: частицы, предсказанные теорией суперсимметрии. В нашем мире существуют два класса частиц: фермионы и бозоны. Фермионы – это такие частицы, как электроны, нейтрино и кварки, из которых и состоит то, что мы называем веществом. Бозоны – это частицы, ответственные за передачу взаимодействий в природе. Электромагнитная сила есть не что иное, как бозоны – фотоны, снующие туда-сюда между электрически заряженными частицами.
Теория суперсимметрии предполагает, что для каждого типа фермиона должен также существовать соответствующий тип бозона со многими сходными свойствами (рис. 6.3). У электрона, например, должен быть до сих пор еще не открытый, но уже получивший имя партнер – селектрон. Так же фотон должен иметь среди фермионов аналог по имени фотино.
Среди новых частиц, согласно теориям суперсимметрии, есть одна, которая может быть стабильной и иметь характеристики, требуемые для кандидата в темную материю. Это легчайшая частица, которая получила название «нейтралино». Если нейтралино действительно существуют, то эти легчайшие частицы, вероятно, должны были возникнуть в первые секунды после Большого взрыва в количествах, необходимых для появления темной материи в нашей сегодняшней Вселенной.
Рис. 6.3. Сравнение стандартной модели и теорий суперсимметрии: в теориях суперсимметрии нейтралино являются более тяжелыми партнерами фотона, Z-бозона – переносчика слабого взаимодействия, и бозонов Хиггса
Но на тропе суперсимметрии нас поджидают засады. Никто еще не видел суперсимметричные частицы. Физики подозревают, что частицы-суперпартнеры, если они существуют, должны быть гораздо тяжелее, чем их обычные аналоги, что очень сильно усложняет их создание или экспериментальное открытие. Но Большой адронный коллайдер, расположенный в лаборатории физики элементарных частиц ЦЕРН возле Женевы (Швейцария), недавно вышел на тот уровень энергий, на котором мы ожидали появления суперсимметричных частиц. Напрямую обнаружить их не удастся, однако можно будет предположить их присутствие по дисбалансу энергии и импульса, полученных в результате столкновений частиц.
