Как темная материя cформировала Вселенную

Таинственные частицы могли косвенно проложить путь человечеству — и погубить динозавров, пишет автор статьи в журнале The New Republic. Ученые пока еще лишь стоят у истоков понимания того, что такое темная материя. Но несомненно, что ее гравитационное воздействие сильно повлияло на развитие Вселенной.

ногие увлечены идеей о существовании мультивселенной — других вселенных за пределами нашей досягаемости. Но множество скрытых миров, которые у нас действительно есть возможность изучить и понять, представляются не менее увлекательными. Благодаря имеющимся в нашем распоряжении современным идеям и технологиям мы приближаемся к моменту, когда темная материя станет последним рубежом — или по крайней мере следующим захватывающим открытием.

Темная материя представляет собой неуловимую сущность во Вселенной. Подобно обычной материи, она взаимодействует с окружающим миром посредством гравитации, при этом не испуская и не поглощая свет. Астрономы регистрируют ее гравитационное влияние, но непосредственно ее не видят и не чувствуют. Темная материя несет в себе в пять раз больше энергии, чем обычная, но ее взаимодействия с материей, которые можно наблюдать напрямую, крайне слабы. Возможно, миллиарды частиц темной материи каждую секунду проходят через каждого из нас. Тем не менее никто не замечает их присутствия. Даже миллиарды частиц темной материи оказывают на нас ничтожное воздействие.

Это происходит оттого, что темная материя не состоит из тех же веществ, что обычная материя, — атомов или других известных нам элементарных частиц, чье взаимодействие со светом отвечает за все, что мы видим. Темная материя на самом деле не темная — она прозрачная. Темные вещи поглощают свет. Прозрачная материя, включая и ту, которой выпало несчастье называться «темной», для нас неощутима. Невозможно собрать темную материю в подвале или гараже.

Тем не менее один сценарист недавно спросил меня о возможностях использования силы темной материи. Несмотря на восторг, который обычно вызывают у нас темные вещи, — достаточно взглянуть на множество книг и фильмов, в названиях которых фигурирует это слово! — темная материя не является ни зловещим, ни щедрым источником стратегической мощи. Ни собственными руками, ни инструментами, сделанными из обычной материи, мы не можем производить из темной материи ракетное оружие или ловушки. Обнаружить ее — уже непростая задача. А освоение ее потенциала — это совсем другая история.

Припишем стремление сценариста выдать желаемое за действительное неудачно выбранному имени, которое, из-за которого, вероятно, темная материя и кажется более угрожающей и мощной, чем она есть на самом деле. Но хотя люди и не могут овладеть силой темной материи, Вселенная может. Признаем мы ее вклад или нет, но — подобно невидимым рабочим, которые строили пирамиды, или шоссе, или по деталям собирали электронные механизмы, сыгравшие определяющую роль в развитии цивилизации, — темная материя имеет большое значение для развития нашего космоса. Если наше совместное исследование подтвердит выдвинутые гипотезы, мы, вполне возможно, сможем доказать, что темная материя также косвенно проложила путь для появления крупных млекопитающих и, следовательно, человечества.

Черная дыра

Палеонтологи, геологи и физики обнаружили, что 66 миллионов лет назад на Землю из космоса упал объект по крайней мере в десять километров шириной. Он уничтожил наземных динозавров, а заодно и три четверти других видов, существовавших на планете. Мы предполагаем, что во время прохождения Солнца через среднюю плоскость Млечного Пути — полосу звезд и яркой пыли, которую можно наблюдать в ясном ночном небе, — Солнечная система встретилась с диском темной материи, которая спровоцировала смещение отдаленного объекта, тем самым форсируя этот катастрофический удар — а может быть, и другие с промежутком в 30-35 миллионов лет. Наша гипотеза заключается в том, что менее традиционный тип темной материи коллапсировал, образовав густой диск (плотнее даже, чем диск Млечного Пути), и гравитационное воздействие этого диска изменило траекторию комет при прохождении Солнечной системы.

Предложенная нами концепция темной материи отличается от распространенных воззрений на ее природу. В то время как видимый мир обладает разнообразными типами частиц — кварками и электронами, фотонами и глюонами, например, — и эти частицы взаимодействуют посредством различных сил (электромагнитных, сильных и слабых), физики обычно придерживаются мнения, что вся темная материя состоит из одного типа частиц, которые в основном взаимодействуют только через гравитацию. Почему бы не предположить, что также существуют различные типы темной материи и что по крайней мере один из них обладает собственными силами взаимодействия?

Если допустить, что даже небольшая доля частиц темной материи взаимодействует с другими частицами темной материи посредством темной электромагнитной силы, то эти частицы темной материи должны вести себя аналогично частицам обычной материи, которые, как мы знаем, в галактике охлаждаются, замедляют свою скорость и формируют диск, похожий на видимый диск нашего Млечного Пути. Измеряя движение миллиарда звезд Млечного Пути, спутник «Гайя» (GAIA) создает 3D-изображение формы нашей галактики, которая сегодня чувствительна к гравитационному влиянию диска темной материи.

Какими бы ни были результаты поисков этого дополнительного вида темной материи, мы знаем, что темная материя сыграла важную роль в истории видимой Вселенной. Несмотря на слабость взаимодействий, гравитационное притяжение темной материи сформировало галактики и скопления галактик, разбросанные по всему космосу. Без темной материи звезды не достигли бы своей нынешней численности и распределились бы по-другому.

Нас бы здесь не было, чтобы все это обсуждать, не говоря уже о том, чтобы собрать целостную картину эволюции Вселенной, если бы не темная материя, предоставляющая достаточно времени для формирования структуры, которую мы сейчас наблюдаем.

В одном из самых удивительных открытий ХХ века наблюдения реликтового излучения от Большого Взрыва показали, что, когда Вселенная была размером примерно с песчинку, в ее плотности присутствовали крошечные отклонения. Эти мельчайшие колебания — на уровне менее 0,001% — в конечном счете стали источниками происхождение вас, меня, галактик и всей структуры во Вселенной. Темная материя сыграла определяющую роль в укреплении этих небольших отклонений в плотности и позволила этим космическим структурам сформироваться.

Материя, в отличие от излучения, на ранних этапах существования Вселенной могла замедляться и слипаться. Гравитационное притяжение в местах с большей плотностью приводило к тому, что некоторые участки материи коллапсировали, тем самым дополнительно увеличивая плотность вещества и приводя к образованию галактик. Так Вселенная становилась все более неоднородной, по мере того как богатые материей области обогащались еще больше, а бедные — становились беднее. Агрегация материи продолжалась ввиду постоянного схлопывания материи в позитивном процессе обратной связи, который превращал изначально однородную Вселенную в то, что в конечном итоге разовьется в дифференцированные галактики, скопления и звезды, которые мы видим сегодня. Поскольку количество темной материи намного превышает количество обычной материи, этот коллапс произошел раньше, чем если бы во Вселенной существовала только обычная материя. Это важно, потому что она дала структуре, наблюдаемой нами сегодня, достаточно времени для роста.

Активная черная дыра в представлении художника

Но темная материя сыграла важную роль и по другой причине. Даже если она и не является главным видом энергии во Вселенной, излучение вымывает изменения плотности обычной материи, подобно тому как ветер сглаживает песочную зыбь, отпечатавшуюся на морском берегу. Излучение на ранней стадии эволюции Вселенной могло бы предотвратить образование объектов размером с галактики из исключительно обычной материи.

Темная материя могла неуклонно зарождать такие структуры, поскольку невосприимчива к электромагнитным излучениям. Следовательно, темная материя вполне эффективно дала обычной материи дополнительный старт, прокладывая путь для формирования галактик и звездных систем. Только «путешествуя автостопом» вместе с темной материей, в нашей Вселенной могли сформироваться объекты галактического масштаба и зачатки звезд. Когда схлопывалась достаточно большая область, темная материя формировала гало приблизительно сферической формы, внутри которого газ обычной материи мог охлаждаться, конденсироваться в центр и в конечном итоге распадаться на звезды.

Это одновременное коллапсирование темной материи и обычной материи также помогает нашим поискам темной материи. Хотя мы видим звезды и галактики благодаря излучаемому свету, именно темная материя первоначально привлекла видимую материю, чтобы сформировать эти структуры. Так что, хотя мы непосредственно наблюдаем только обычную материю, мы можем быть уверены, что обе материи наличествуют в одних и тех же местах и что темная материя остается в этом сферическом гало вокруг видимого вещества. Другими словами, в некотором смысле искать под фонарным столбом темную материю вполне целесообразно.

Темная материя продолжает играть важную роль в космосе. Она не только способствует гравитационному притяжению, которое не дает звездам разлететься, но также возвращает некоторое количество материи, выбрасываемой сверхновыми, обратно в галактики. Темная материя, таким образом, помогает сохранить тяжелые элементы, которые необходимы для дальнейшего формирования звезд и в конечном счете для жизни.

Не стоит особенно беспокоиться о неизбежных негативных ассоциациях с понятием «темного» или о высших силах темной материи. Влияние частицы темной материи — или даже миллиардов этих частиц — легко игнорировать. Однако гравитационное влияние достаточно большого количества темной материи, скопившейся в определенной области, оказало существенное влияние на развитие Вселенной. Подобно другим не замечаемым нами сущностям в окружающей среде, темная материя имеет важное значение для нашего мира и, в соответствии с нашими недавними исследованиями, возможно, была необходима для появления человеческой жизни.

Мы с коллегами лишь стоим у истоков понимания того, что такое темная материя. Темная материя не выделена в пространстве, так что корабль «Энтерпрайз» не сможет нас к ней перенести, — правда, в отличие от этого космического корабля, темная материя реальна. Тем не менее проводимые сегодня исследования обещают преодолеть наши физические ограничения и лучше понять неуловимый, но потенциально доступный нам мир темной материи.