Вселенная полна загадок, и одна из самых интригующих — тёмная материя. Впервые её существование предположил Фриц Цвикки ещё в 1933 году. С тех пор физики бьются над этой головоломкой: как обнаружить то, что не взаимодействует со светом и вообще ни с каким электромагнитным излучением?
Спустя почти сто лет японский астроном Томонори Тотани из Токийского университета заявил, что, возможно, ему удалось «увидеть» тёмную материю. Помог в этом космический гамма-телескоп NASA Fermi.
Если открытие подтвердится, это станет настоящим прорывом. Тёмная материя — мастер маскировки. Она не излучает, не поглощает и не отражает свет. Ни один прибор, созданный человеком, не способен её зафиксировать напрямую. Звучит как научная фантастика, но именно с такой реальностью работают физики.
Тотани опубликовал своё исследование 25 ноября в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Суть в следующем: он искал не саму тёмную материю, а побочный продукт столкновения её частиц.
Речь идёт о так называемых вимпах (WIMP — weakly interacting massive particles, слабо взаимодействующие массивные частицы). Это гипотетические «кирпичики» тёмной материи, которые тяжелее протонов и практически ни с чем не контактируют. Но когда два вимпа врезаются друг в друга, теория предсказывает их взаимное уничтожение с выбросом гамма-излучения.
Вот эти гамма-лучи Тотани и искал в данных телескопа Fermi. И, похоже, нашёл.
«Мы обнаружили гамма-излучение с энергией фотонов около 20 гигаэлектронвольт, — рассказал учёный. — Оно распространяется в виде гало по направлению к центру Млечного Пути. Форма этого излучения очень близка к тому, что предсказывают модели тёмной материи».
Чтобы было понятнее: звёзды в нашей галактике расположены в диске, а гало тёмной материи, по теории, окружает этот диск сферически. Тотани знал, где искать и что должен увидеть. Излучение оказалось именно там и именно такой интенсивности, как предсказывала теория.
Но почему вообще тёмную материю так сложно найти? NASA называет её «невидимым клеем, скрепляющим Вселенную». По современным оценкам, обычная материя — всё, что мы видим вокруг — составляет лишь 5% от общей массы-энергии космоса. На тёмную материю приходится около 27%, остальное — тёмная энергия (ещё одна загадка, над которой ломают головы физики).
Получается, тёмной материи в пять с лишним раз больше, чем обычной. Но она не взаимодействует с электромагнитным излучением — ни с видимым светом, ни с радиоволнами, ни с рентгеном. Для наших приборов она попросту невидима.
Впрочем, наука уже сталкивалась с подобными задачами. Взять хотя бы чёрные дыры. Свет не может вырваться из чёрной дыры, так что напрямую увидеть её невозможно. Учёные научились определять их присутствие по влиянию на окружающее пространство.
Первую чёрную дыру — Лебедь X-1 — обнаружили благодаря аккреционному диску. Это вихрь из газа, пыли и плазмы, который закручивается вокруг чёрной дыры и испускает мощное рентгеновское излучение. На знаменитом снимке чёрной дыры 2019 года мы видим именно аккреционный диск, а не саму дыру.
Кстати, от первого теоретического предсказания чёрных дыр (1783 год, английский философ Джон Мичелл) до первой фотографии прошло 236 лет. И даже на этом снимке мы видим не саму дыру, а её «тень». С тёмной материей ситуация ещё сложнее.
История поисков тёмной материи началась с того самого наблюдения Цвикки в 1933 году. Он заметил, что галактики в скоплении Волосы Вероники движутся слишком быстро — гравитации видимой материи не хватило бы, чтобы удержать их вместе. Цвикки предположил существование невидимой массы, создающей дополнительное притяжение.
С тех пор появились и другие косвенные доказательства. Одно из самых убедительных — гравитационное линзирование. Массивные объекты искривляют пространство и отклоняют проходящий мимо свет. Скопление Пуля (Bullet Cluster) демонстрирует эффект линзирования, который сложно объяснить без участия тёмной материи. Но окончательного доказательства пока нет.
И вот тут появляется работа Тотани. Он нашёл гамма-излучение там, где оно должно быть по теории, с той энергией, которую предсказывали расчёты, и в форме, характерной для гало тёмной материи.
Значит ли это, что загадка решена? Не совсем. Научный метод требует независимой проверки. Тотани сам настаивает на том, чтобы другие исследователи попытались воспроизвести его результаты. Нужно изучить гамма-излучение от других источников — например, карликовых галактик — и убедиться, что найденный сигнал нельзя объяснить чем-то другим.
Пока что известные источники гамма-излучения не объясняют обнаруженный феномен. Но это не означает, что таких источников не существует. Данные будут проверять снова и снова.
Наука не торопится с выводами, и на то есть причины. Если Тотани действительно обнаружил тёмную материю, последствия для физики будут колоссальными. Открытие новой элементарной частицы, не входящей в Стандартную модель, перевернёт представления о фундаментальном устройстве мира. А ещё это поможет разобраться с другими космологическими загадками — например, с природой тёмной энергии, которая заставляет Вселенную расширяться с ускорением.
«Если наши выводы верны, то истинная природа тёмной материи — величайшей загадки космологии — наконец раскрыта», — говорит Тотани.
Осторожный оптимизм. Именно так можно описать настроение научного сообщества. Почти век поисков, и вот — возможно — первый реальный след. Посмотрим, что покажут независимые проверки.