Есть и другие признаки, которые говорят о наличии темной материи. Все перемещающееся под воздействием силы тяготения вещество, светящееся или темное, отклоняет свет, поэтому скопления можно «взвесить», изучив, насколько сильно они искажают лучи света, проходящие сквозь них. Действительно, отклонение света звезд, которое Эддингтон и другие ученые наблюдали во время полного солнечного затмения 1919 г., стало одной из первых широко известных проверок ОТО, которая принесла Эйнштейну мировую известность. Космический телескоп имени Хаббла сделал впечатляющие фотографии некоторых скоплений галактик, отстоящих от нас примерно на миллиард св. лет. На этих фотографиях мы можем видеть много тусклых полосок и арок. Каждая из них – это далекая галактика, находящаяся в несколько раз дальше самого скопления. Мы смотрим на нее через искажающую линзу. Обычный узор на обоях выглядит искаженным, если посмотреть на него через искривленный кусок стекла. Скопление выступает в роли именно такой «линзы», которая фокусирует проходящий через нее свет. Галактики, входящие в скопления, даже все вместе недостаточно тяжелы, чтобы создать такое искажение. Чтобы значительно искривить свет и вызвать явное искажение изображений, находящихся позади галактик, скопление должно быть в 10 раз тяжелее того, что мы видим. Эти огромные естественные линзы дают дополнительное преимущество астрономам, которые интересуются эволюцией галактик, так как позволяют увидеть очень отдаленные галактики, которые иначе были бы слишком тусклыми, чтобы мы могли за ними наблюдать.
На самом деле нет ничего удивительного, что темная материя, имеющая массу в 10 раз больше того, что мы видим, является основной гравитационной силой в космосе. Нет ничего невероятного в темной материи как таковой: почему все во Вселенной должно светиться? Трудность задачи состоит в том, чтобы сузить список кандидатов на ее роль.
ЧТО МОЖЕТ БЫТЬ ТЕМНОЙ МАТЕРИЕЙ?
Предполагается, что темная материя не излучает свет – действительно, мы не обнаружили никакого излучения. Также она не поглощает свет и не рассеивает. Это означает, что она не может состоять из пыли. Мы знаем, что в нашей Галактике присутствует некоторое количество пыли, потому что свет звезд рассеивается и ослабевает, проходя сквозь облака, состоящие из крошечных частиц, похожие на те, что составляют клубы табачного дыма. Но если бы эти частицы весили достаточно, чтобы претендовать на темную материю, они бы закрыли от нас любую далекую звезду.
Главными подозреваемыми в принадлежности к темной материи являются маленькие тусклые звезды. Те из них, которые имеют массу менее 8 % от массы Солнца, называются коричневыми карликами
[23]. Они недостаточно сжаты и горячи, чтобы поджечь ядерное топливо, которое заставляет сиять обычные звезды. Коричневые карлики определенно существуют: некоторые из них находили как «побочный продукт» поиска планет на орбитах вокруг более ярких звезд. Другие, особенно находящиеся по соседству, обнаружили по очень слабому излучению красного света. Сколько всего коричневых карликов может существовать? Теория тут нам не очень помогает. Соотношение больших и маленьких звезд определяется чрезвычайно сложными процессами, которые мы до конца пока не понимаем. Даже самые мощные компьютеры не могут сказать нам, что происходит, когда межзвездный газ конденсируется в звезды. Эти процессы с трудом поддаются пониманию по тем же причинам, по каким так трудно предсказать погоду.
Отдельные коричневые карлики могут быть обнаружены с помощью гравитационного линзирования. Если один из них проходит напротив яркой звезды, тогда тяготение коричневого карлика фокусирует свет и блеск яркой звезды оказывается увеличенным. В результате этого яркая звезда будет вспыхивать и тускнеть определенным образом, если перед ней проходит коричневый карлик. Это явление требует очень точного расположения звезд на одной линии относительно Земли, поэтому мы его наблюдаем очень редко, даже если и существует достаточно коричневых карликов, чтобы составить всю темную материю в нашей Галактике. Тем не менее астрономы ведут активные поиски таких явлений микролинзирования (приставка «микро» в данном случае добавляется, чтобы отделить это явление от линзирования целых скоплений галактик, о котором упоминалось выше). Ученые постоянно следят за миллионами звезд, чтобы найти те, яркость которых от ночи к ночи меняется. Но со многими звездами это происходит по самым разным причинам: одни пульсируют, другие вспыхивают, третьи обращаются вокруг своих соседей, составляя двойную звезду. Исследователи обнаружили тысячи таких звезд, которые, конечно, интересны, но являются лишь досадной помехой с точки зрения поиска явлений микролинзирования. Иногда находят звезды, демонстрирующие характерное повышение и ослабление яркости, и вполне возможно, что перед ними проходит невидимая масса, фокусирующая свет. Пока все еще не ясно, происходит ли достаточное количество таких событий, чтобы можно было говорить о новой, более-менее распространенной популяции коричневых карликов, или это всего лишь обычные тусклые звезды проходят перед более яркими.
Есть и несколько других кандидатов на звание темной материи. Холодные «планеты», блуждающие в межзвездном пространстве и не связанные ни с какой звездой, могут существовать в больших количествах и оставаться необнаруженными. То же самое можно сказать и о напоминающих кометы глыбах замерзшего водорода. Могут это быть и черные дыры.
ДЕЛО ОБ ЭКЗОТИЧЕСКИХ ЧАСТИЦАХ
Тем не менее есть подозрение, что коричневые карлики или кометы (или даже черные дыры, если считать их останками мертвых звезд) составляют лишь малую часть темной материи. Дело в том, что есть серьезные основания полагать, что темная материя вообще не состоит из обычных атомов. Это предположение связано с дейтерием (тяжелым водородом).
Как уже упоминалось в предыдущей главе, любой дейтерий, который мы наблюдаем, должен был появиться во время Большого взрыва, а не синтезироваться внутри звезд. О его количестве в нашей Вселенной до настоящего времени точно не было известно. Но астрономы нашли спектральный след дейтерия, отличающийся от обычного водорода, в свете, идущем от очень далеких галактик. Для измерений потребовались новые мощные телескопы с зеркалами диаметром 10 м. Наблюдаемое содержание дейтерия является ничтожным: только один атом из 50 000 является атомом дейтерия. Соотношение, которое должно было сохраниться со времен Большого взрыва, зависит от плотности Вселенной, и наблюдения согласуются с теорией, если плотность составляет 0,2 атома водорода на 1 м3. Это в достаточной степени соответствует реальному количеству атомов в светящихся объектах: половина приходится на галактики, а половина – на межгалактический газ, но тогда ничего не остается для объяснения темной материи.
Если существует достаточно атомов, чтобы составить темную материю, которая в пять (а возможно, и в десять раз) больше того, что мы действительно видим, результаты наблюдений перестанут соответствовать теории. Тогда расчеты Большого взрыва будут предсказывать еще меньше дейтерия и несколько больше гелия, чем мы действительно наблюдаем, и происхождение дейтерия во Вселенной станет загадкой. Это говорит нам о важной вещи: атомы во Вселенной, плотность которой составляет 0,2 атома на 1 м3, создают только 4 % критической плотности, а основная масса темной материи состоит из чего-то инертного с точки зрения ядерных реакций. Экзотические частицы, а не обыкновенные атомы, вносят основной вклад в значение числа Ω
{11}.
