Существует ли темная материя?

Темная материя — самая распространенная во вселенной вещь, которую физики до сих пор не смогли обнаружить. Настало время рассмотреть альтернативные объяснения, считает автор. По его мнению, уточнение закона Ньютона, например, может объяснить наблюдаемые явления и без темной материи.

1969 году американский астроном Вера Рубин (Vera Rubin) была поставлена в тупик в ходе наблюдения за растянутой в космическом пространстве галактикой под названием Андромеда, ближайшим соседом Млечного пути. В процессе наблюдения за спиральными рукавами звезд, которые были весьма тщательно измерены с помощью спектрального анализа, проведенного в Национальной лаборатории Китт-Пик (Kitt Peak National Observatory) и в Лаборатории Лоуэлла (Lowell Observatory) — обе находятся в штате Аризона, — она обнаружила нечто необычное: создавалось впечатление, что звезды, находящиеся на периферии этой галактики, движутся по своим орбитам слишком быстро. Так быстро, что она стала ожидать их отрыва от Андромеды и ухода куда-то дальше во вселенную. Однако вращающиеся по спирали звезды продолжали оставаться на своих местах.

Наблюдения Рубин, которые она распространила на десятки других спиральных галактик, приводили к драматичной дилемме: либо в них имеется больше массы, темной и скрытой от наблюдения, но способной удерживать галактики вместе с их гравитационными полями, либо гравитация каким-то образом работает на разных участках протяженной в пространстве галактики весьма отлично от того, как ранее считали ученые.

Сделанное Рубин важное открытие не было отмечено Нобелевской премией, однако ученые начали поиски следов темной материи в других местах — вокруг звезд и газовых облаков, а также вокруг самых больших структур в галактиках во всей вселенной. В 1970 году астрофизик Саймон Уайт (Simon White) из Кембриджского университета заявил, что может объяснить конгломерации галактик с помощью модели, в которой большинство материи во вселенной является темной, а ее количество намного превосходит все атомы во всех звездах на небе. В следующее десятилетие Уайт и другие специалисты продолжили свои исследования в этом направлении с помощью моделирования динамики частиц гипотетической темной материи, работая при этом на компьютерах, которые в то время не были столь дружественными по отношению к пользователям.

Однако, несмотря на прогресс, достигнутый в течение последнего полувека, никому еще не удалось непосредственно обнаружить ни одной частицы темной материи. Каждый раз темная материя ускользала от исследователей, как мимолетная тень в лесу. Каждый раз, когда ученые пытались обнаружить частицы темной материи с помощью мощных и чувствительных экспериментов в заброшенных шахтах и в Антарктике, а также каждый раз, когда они пытались произвести их в ускорителях элементарных частиц, — каждый раз они оказывались с пустыми руками. Какое-то время физики надеялись обнаружить теоретический тип материи под названием «слабо взаимодействующие массивные частицы» (weakly interacting massive particles —WIMP), однако и эти попытки оказались безрезультатными.

Поскольку кандидатура слабо взаимодействующих массивных частиц не получила почти никаких шансов, темная материя, судя по всему, продолжает оставаться самой распространенной [во вселенной] вещью, которую физики так и не могут обнаружить. И пока ее не могут найти, все еще сохраняется вероятность того, что она вообще не существует. Но остается альтернатива: вместо огромного количества скрытой материи, некоторый загадочный аспект гравитации может искривлять космическое пространство.

Идея о том, что гравитация ведет себя как-то иначе в больших масштабах [галактик], была отодвинута на периферию исследований со времен расцвета теории Рубин и Уайта. Однако сейчас настало время рассмотреть такую возможность. Ученых и исследовательские команды надо направит на поиск альтернативы темной материи. Конференции и комитеты по распределению грантов должны обсудить эти теории и разработать новые эксперименты. Независимо от того, кто окажется правым, подобные исследования альтернативных вариантов в конечном счете помогут кристаллизовать демаркационную линию между тем, что мы не знаем, и тем, что мы знаем. Подобные меры будут способствовать формулированию смелых вопросов, подстегнут продуктивность исследований, обозначат слабые места в этих теориях и помогут новому мышлению продвигаться вперед. Кроме того, это заставит нас решить вопрос о том, какие именно доказательства нам необходимы, чтобы поверить в то, что мы не видим.

***

Мы уже это проходили. В начале 1980-х годов израильский физик Мордехай «Моти» Милгром (Mordehai ‘Moti' Milgrom) поставил под вопрос становившийся все более популярным нарратив о темной материи. Во время работы в институте, расположенном на юге Тель-Авива, он изучил измерения, проведенные Рубин и другими специалистами, а затем высказал предположение о том, что физики, на самом деле, не нуждались в отсутствующей и неуловимой материи; вместо этого они ошибочно полагали, что полностью понимают то, как работает гравитация. Поскольку дальние звезды и газовые облака движутся по орбитам вокруг галактик быстрее, чем предполагалось, имеет больше смысла скорректировать стандартные представления о гравитации, чем выдумывать совершенно новый тип материи.

Милгром предположил, что второй закон движения Ньютона (он описывает, как гравитационные силы, действующие на объект, изменяются в зависимости от ускорения и массы) немного меняется в зависимости от ускорения объекта. Такие планеты как Нептун или Уран, движущиеся по орбите вокруг Солнца, или звезды, движущиеся по орбитам вблизи центра нашей галактики, не чувствуют этого различия. Но в удаленных частях Млечного пути на звезды будет действовать более слабая гравитационная сила, чем раньше предполагалось относительно большей части материи этой галактики; поэтому уточнение закона Ньютона может предоставить объяснение измеренных Рубин скоростей, при этом не будет необходимости привлекать к этому делу темную материю.

Разработка парадигмы, основанной на представлении об отсутствии темной материи, стала главным жизненным проектом Милгрома. Прежде всего, он работал преимущественно изолированно над своей прототеорией, которую назвал Модифицированной ньютоновской динамикой (Modified Newtonian Dynamics — MOND). «На протяжении многих лет я был в одиночестве, — говорит он. — Но постепенно другие ученые стали ко мне присоединяться».

Сам Милгром и несколько других ученых сосредоточились на вращающихся галактиках, где модифицированная ньютоновская динамика точно описывает то, что наблюдала Рубин, и делает это не хуже, чем теории, где присутствует темная материя. Через некоторое время Милгром и его коллеги расширили сферу исследований и предположили наличие связи между тем, с какой скоростью вращается дальняя часть галактики, и общей ее массой минус темная материя. Астрономы Брент Талли (R Brent Tully) и Ричард Фишер (J Richard Fisher) измерили и просто подтвердили наличие той тенденции, с объяснением которой возникали проблемы у многочисленных теорий, основанных на существовании темной материи.

Несмотря на эти успехи, сделанная Милгромом модификация второго закона Ньютона продолжала оставаться лишь приблизительной оценкой, поэтому его идеи не удовлетворяли полностью требованиям, предъявляемым к полноценной теории. Ситуация начала меняться, когда Якоб Бекенштейн (Jacob Bekenstein), коллега Милгрома по работе в Еврейском университете Иерусалима (Hebrew University of Jerusalem), расширил модифицированную ньютоновскую динамику для того, чтобы показать ее соответствие с общей теорией относительности Альберта Эйнштейна, в которой говорится о том, что гравитация обладает способностью отклонять световые лучи, и это идея, которая была доказана всего столетие назад во время затмения солнца в 1919 году, известна сегодня как «гравитационная линза» (gravitational lensing).

Примерно в это же время американский астроном Эдвин Хаббл (Edwin Hubble) обратил внимание на мнение его коллег о том, что близкие группы газовых облаков на самом деле являются более удаленными галактиками. Основываясь на открытии Хаббла, другие астрономы показали существование более крупных галактических структур, получивших сегодня название «галактические кластеры» (galaxy clusters), которые обладают способностью действовать как мощные линзы и существенным образом отклонять световые лучи. Используя формулы, основанные на предсказаниях Эйнштейна, можно сделать вывод о массе космических линз. На основе такого рода математических формул, многие физики использовали гравитационные линзы как аргумент в пользу существования темной материи. Однако Бекенштейн показал, что общая теория относительности и модифицированная ньютоновская динамика тоже способны объяснить по крайней мере некоторые сделанные измерения линз.

Но даже после этого эти идеи были лишь частично сформулированы. В действительности, Милгром и Бекенштейн не знали, какие именно физические процессы способны создавать модифицированный гравитационный закон.

Модифицированной ньютоновской динамике в значительно мере не хватало основ, но ситуация изменилась несколько лет назад, когда голландский физик Эрик Верлинде (Erik Verlinde) начал разрабатывать теорию, получившую названия «возникающая гравитация» (emergent gravity), а сделано это было для того, чтобы объяснить, почему гравитация меняется. По мнению Верлинде, гравитация, включая модифицированную ньютоновскую динамику, возникает как своего рода термодинамический эффект, относящийся к увеличению энтропии или к разрушению порядка. Его идеи основаны также на квантовой физике, поскольку он рассматривает пространство-время и материю внутри него как производные от взаимосвязанного потока квантовых частиц. Когда пространство-время искривляется, возникает гравитация, а если это искривление происходит определенным образом, то оно создают иллюзию существования темной материи.

Исследования Верлинде все еще требуют дополнительной конкретизации. Так, например, пока не ясно, каким образом модифицированная или возникающая гравитация могут восприниматься в структуре ранней вселенной, отличающейся от реликтовой радиации, оставшейся после Большого взрыва. Астрофизики использовали космические телескопы для фиксирования этой радиации в невероятных деталях, однако пока не смогли найти возможность сделать модель без темной материи, которая не противоречила бы этим измерениям. «Пока еще эта идея о возникающей гравитации не может конкурировать», — говорит Верлинде, однако со временем, по его мнению, она может стать реальной альтернативой темной материи.

***

В рамках теорий о темной материи тоже делаются предсказания: если эта форма материи существует, то многочисленные субатомарные частицы темной материи должны часто проноситься через нашу солнечную систему, через Землю и даже иногда через наши собственные тела. Но, если огромное количество темной материи на самом деле существует, обволакивая собой каждую галактику во вселенной и оставаясь при этой невидимой и неощутимой, то в таком случае эти ускользающие маленькие частицы, скорее всего, не будут взаимодействовать с нормальной материей таким способом, который все мы могли бы заметить. В таком случае обнаружение темной материи превращается в крайне сложную задачу.

В то время как астрофизики продолжали внимательно вглядываться в небеса, физики, занимающиеся изучением частиц, тоже пытались пролить свет на темную материю с помощью получения вероятных частиц в своих ускорителях, в том числе на Большом адронном коллайдере в Женеве, Швейцария. Чтобы создать условия, существовавшие во время Большого взрыва, в этом ускорители частицы сталкиваются между собой на очень больших скоростях, и делается это для того, чтобы в сгустках энергии образовывались новые частицы. Затем эти частицы должны пройти через целую серию детекторов, которые позволят физикам их определить.

С помощью Большого адронного коллайдера и его предшественников (включая ускоритель в Лаборатории имени Ферми — Fermilab — к востоку от Чикаго) ученым удалось обнаружить все предсказанные 17 частиц с помощью «стандартной модели» физики элементарных частиц, в том числе все фундаментальные силы, за исключением гравитационных. (Ученые обнаружили последнюю стандартную частицу бозон Хиггса на Большом адронном коллайдере в 2012 году).

По причине достигнутых успехов физики получили уверенность в своих силах и рассчитывали вскоре обнаружить темную материю, подчеркивает Дэн Хупер (Dan Hooper), физик из Фермилаб, лаборатории имени Ферми, в своей изданной в 2019 году книге «На краю времени» (At the Edge of Time.)

Интерес к темной матери способствовал проведению целого ряда экспериментов нового поколения, с помощью которых Хупер и его коллеги надеялись обнаружить, наконец, эти загадочные частицы. Ученые по всему миру устанавливали детекторы под землей, часто используя для этого заброшенные шахты, и надеялись таким образом обнаружить частицы темной материи и избежать при этом воздействия какофонического шума космических лучей и солнечных частиц, которые будут бомбардировать установленные на поверхности Земли датчики. По мнению ученых, частицы темной материи могут беззвучно проходить через изготовленный из ксенона детектор и оставлять след своего прохождения в виде тепла. Если эксперименты пройдут, как запланировано, то ученные, наконец, зафиксируют частицы темной материи и объявят о новой эре в космологии и ядерной физике.

Однако проведенные эксперименты не дали никаких позитивных результатов, первоначальные надежды ученых не оправдались. Проведенные эксперименты фактически не смогли обнаружить и намека на существование темной материи, однако позволили в конечном счете установить, чем темная материя не является. С каждым новым экспериментом увеличивалось количество примеров того, чем темная материя не является. Физики начали понимать, что если частицы темной материи существуют, то их будет очень сложно заметить. Ситуация выглядела почти безнадежной в отношении слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP), которые являлись наиболее популярными кандидатами на роль темной материи. Ученые расширяли масштабы поисков, однако ничего не находили. Некоторые команды продолжили охоту за слабо взаимодействующими массивными частицами, но через несколько лет достигли самых ничтожных показателей массы, когда любые предполагаемые частицы темной материи вступили бы во взаимодействие с детекторами, как это происходит в случае с почти неуловимыми нейтрино, идущими от Солнца, в результате поиски слабо взаимодействующих массивных частиц были, по сути, остановлены. «С нами и нашими работами тоже все будет закончено. Уже виден конец поиска слабо взаимодействующих массивных частиц», — говорит Питер Грэм (Peter Graham), физик-теоретик из Стэнфордского университета в Калифорнии.

Хотя окончание поисков слабо взаимодействующих частиц уже очень близко, сказать то же самое в отношении охоты за темной материей нельзя, считает Грэм. Ученые уже начали заниматься другими возможными частицами, особенно аксионами (axions). Если они существуют, то будут в миллиарды раз менее массивными, чем слабо взаимодействующие массивные частицы, в таком случае их может быть огромное количество, и они могут добавить свою массу к ожидаемой массе темной материи. Есть еще более экзотические кандидаты, — речь идет о так называемых стерильных нейтрино (sterile neutrinos) и о крохотных изначальных черных дырах; это вариант массивных компактных объектов гало (massive compact halo objects).

Некоторые ученые, в том числе Хупер, предположили существование гипотетических частиц, которые испытывают на себе воздействие скрытых сил. Эти темные частицы, если они существуют, будут аннигилироваться, а затем разлагаться на другие частицы, которые могут каким-то образом соединяться с такими уже известными частицами, как бозоны Хиггса. Подобный вариант можно считать возможным, однако пока никому не удалось обнаружить какие-либо скрытые частицы или силы.

По мере того как поиски темных частиц утрачивают интенсивность, Милгром обнаружил, что все больше физиков готовы к тому, чтобы заняться модифицированой гравитацией. «Люди не совсем разочарованы, однако весьма раздосадованы тем, что темную материю до сих пор не удалось обнаружить, — отметил он. — На мой взгляд, это не лучшая основа для того, чтобы продолжать работу в области модифицированной ньютоновской динамики, но я рад тому, что интереса становится все больше». Пока еще нельзя сказать с уверенностью, что этот интерес будет способствовать расширению исследований в области модифицированной гравитации.

***

Сотни, если не тысячи астрофизиков, астрономов и физиков-ядерщиков изучают сегодня каждый аспект темной материи и любое возможное ее влияние на космос, при этом работы эти проводятся с использованием самых современных компьютеров, телескопов и ускорителей элементарных частиц. Исследования в области темной материи в течение нескольких десятилетий способствовали сокращению работ по изучению модифицированной гравитации, однако это не обязательно означает, что темная материя значительно более убедительна как теория. Скорее, на ранних этапах ученые предполагали, что существует естественное решение, другие соглашались с этим, и чаша весов склонялась в их сторону.

Если смотреть с позиций сегодняшнего дня, то доминирующее положение темной материи не кажется неизбежным. Те процессы, с помощью которых ученые разрабатывают свои теории, подвержены влиянию со стороны самых разных исторических и социологических факторов. Эту точку зрения красноречиво представил Эндрю Пикеринг (Andrew Pickering), почетный философ Эксетерского университета (University of Exeter) и автор работы «Строительство кварков» (Constructing Quarks), которая была опубликована 36 лет назад, но продолжает сохранять значимость.

Важно также обратить внимание на то, кто принимает решение о том, какие явления следует изучать, какие исследования получают крупные государственные гранты, какие крупные эксперименты получают финансирование, кто получает возможность выступать на научных конференциях, кто умеет хорошо работать со средствами массовой информации, кто участвует в наиболее известных программах и получает награды; и кто получает назначение на важные позиции в университетах. Различные варианты выбора иногда могут формировать будущую траекторию развития науки. И когда выбор теоретиков и экспериментаторов симбиотически совпадает, утверждает Пикеринг, это может стать препятствием для новоявленной теории — в том числе для модифицированной гравитации, — а также для ее адекватного восприятия.

Научная работа не является особенно эффективным и прямым путем к «истине». Тем не менее, не стоит отчаиваться, как считает Наоми Орескес (Naomi Oreskes), историк науки Гарвардского университета в Массачусетсе и автор опубликованной в 2019 году книги «Следует ли доверять науке?» (Why Trust Science?). Хотя отдельные ученые могут ошибаться, имеют свои собственные ценности и цели, а иногда и свои навязчивые идеи, наука, тем не менее, продолжает развиваться как коллективное дело. Исследователи могут совершать ошибки, им может потребоваться много времени для того, чтобы основательно проверить некоторые утверждения и предложить другие, а, кроме того, бывает и так, что казавшаяся перспективной исследовательская программа заходит в тупик, однако со временем ученые постепенно приходят к общему мнению. Обычно это занимает немало времени, но в конечном итоге они понимают, от какого исследовательского направления стоит отказаться, а изучение каких идей нужно продолжить и углубить.

Что касается соперничества темной материи и модифицированной гравитации, то этот процесс пока не завершился. Темная материя в настоящее время находится на нисходящей линии, однако споры еще не закончились. Ставки велики, поскольку будущее космологии зависит от предстоящего выбора астрофизиков.

Сторонники модифицированной гравитации, включая Милгрома и Верлинде, сталкиваются с серьезными вызовами, и только после решения существующих проблем они смогут получить реальный шанс развить свои идеи в значимую альтернативу темной материи. Самое большое препятствие в этом отношении исходит от начала вселенной.

Астрономы Анро Пензиас (Arno Penzias) и Роберт Уилсон (Robert Wilson) в 1960 годах сначала неправильно интерпретировали легкие помехи их радиотелескопа как шум, возможно, из-за того, что голуби устроили там гнезда и оставляли помет. Однако сигнал оказался реальным, и они подтвердили свое открытие реликтовых радиоволн (relic radio waves), которые образовались вскоре больше Большого взрыва. Затем в 1980-е и в 1990-е годы советские ученые и ученые из НАСА использовали собственные телескопы РЕЛИКТ-1 и Cobe для обнаружения крайне незначительных колебаний в этой радиации. Джон Мазер (John Mather) и Джордж Смут (George Smoot) физики, возглавлявшие программу исследований Cobe, получили в 2006 году Нобелевскую премию по физике за измерение этих незначительных колебаний радиации, которые свидетельствуют о раннем различии в интенсивности, которое и определяло, где материя во вселенной концентрировалась и где образовывались галактические структуры.

Последователи Мазера и Смута сегодня измеряют колебания в реликтовой радиации с очень высокой точностью, и любая успешная теория должна предоставить их объяснение. Изучающие темную материю физии уже показали, что их теория вполне способна объяснить все эти незначительные колебания, однако модифицированная или возникающая гравитация не выдержала этого критически важного теста — пока еще. Бекенштейн умер в 2015 году, однако его последователи все еще пытаются сделать его модифицированную теорию гравитации соответствующей, по крайней мере, некоторым проведенными измерениям. Это был бы значительный скачок вперед, а также убедительный аргумент для тех, кто скептически относится к модифицированной гравитации, однако это весьма серьезная задача, которую еще только предстоит решить.

Из всех полученных данных информация об этих незначительных колебаниях является наиболее убедительной. Темная материя явно побеждает. Потребовались десятилетия работы со стороны сотен ученых, поддерживающих теорию темной материи, а также большие инвестиции в их исследовательские программы для того, чтобы были разработаны модели, позволяющие объяснить полученные измерения. Модифицированная и возникающая гравитация с ее более скромными уровнями финансирования остается далеко позади, однако это не означает, что нужно вообще отказаться от этих концепций. «На мой взгляд, маловероятно, что возникающая гравитация несет ответственность за те феномены, которые мы связываем с темной материей, — говорит Хупер. — Однако это не означает, что гравитация не возникает и ее не стоит изучать».

Кроме того, сторонники темной материи, включая Уайта и Хупера, имеют свои собственные серьезные проблемы. Гигантские галактики, в том числе наша собственная, обычно имеют небольшое количество галактических попутчиков, которые вращаются вокруг них, как спутники. Если сторонники темной материи правы, то каждая из этих галактик должна быть встроена в огромный сгусток темной материи, поскольку частицы темной материи и галактические звезды должны притягиваться друг другу теми же самыми гравитационными силами. Однако последние данные компьютерного моделирования, разработанные Уайтом и его коллегами, свидетельствуют о наличии значительных расхождений с наблюдениями астрономов: они предсказывают существование значительно большего количества материи, чем предполагалось на основе скудных данных об обнаруженных пока галактических спутниках. Физики придумали для них весьма характерное название — «проблема отсутствующих спутников» (missing satellites problem), поскольку реальность, судя по всему, не соответствует ожиданиям этих теоретиков.

В более широком космическом масштабе астрофизики пытаются объяснить установленное недавно поразительное несоответствие: речь идет о том, что сегодня вселенная, судя по всему, расширяется намного быстрее, чем это происходило во время ее детства. Физика считали, что масштабы роста (их называют константами Хаббла) будут везде одинаковыми, однако сегодня они должны объяснить имеющиеся расхождения. Поскольку сторонники темной материи не могут объяснить это загадочное явление, то, по мнению Верлинде, возникающая гравитация, вероятно, предложит свой путь вперед.

Верлинде, Милгром и их коллеги все еще представляют собой незначительное меньшинство, однако космология получит пользу в том случае, если их ряды увеличатся в количественном отношении. На проходившей недавно конференции Верлинде заметил значительный сдвиг в сторону признания. «Я почувствовал, что появилось больше коммуникации и больше желания обсуждать альтернативные варианты, чем это было несколько лет назад», — говорит он.

Помимо теоретической работы, физики ожидают появления больших по размерам и более мощных по характеристиками телескопов, а также проведения экспериментов, способных дать соответствующие результаты. Речь идет, в частности, о Большом синоптическом обзорном телескопе (Large Synoptic Survey Telescope), который сооружается в сухой горной местности на севере Чили. В этом году ученые назвали его Обсерваторией Веры Рубин, и первые данные с его помощью можно будет получить уже в этом году. Вдохновленные работой Рубин, исследователи будут пытаться смотреть еще шире и еще дальше в небеса, фиксируя свет, исходящий от миллиардов галактик. Если они не будут связаны никакими рамками, то их исследования могут пролить свет как на темную материю, так и на темные силы гравитации. Память о Рубин будет и дальше способствовать проведению здоровых дискуссий о колоссальной скрытой вселенной, к дальнейшему изучению которой мы так стремимся.

Рамин Скибба — астрофизик, ставший популяризатором науки, живет и работает в Сан-Диего.