Мы видим всего несколько процентов реальности, а остальное она утаивает в темной материи и энергии
Есть вещи, которые не укладываются в голове, сколько ни пытайся. Вот одна из них: всё, что вы когда-либо видели, трогали, читали и любили — каждый атом каждого человека, каждой звезды, каждого океана — составляет меньше пяти процентов содержимого Вселенной. Остальные девяносто пять — тёмная материя и тёмная энергия. Мы не знаем, что это такое. Мы знаем только, что без них ничего бы не было.
Невидимая арматура
Начнём с тёмной материи — потому что с ней мы познакомились раньше и знаем чуть больше. Хотя «знаем» здесь — сильное слово.
В середине XX века астроном Вера Рубин занималась скучной, как тогда казалось, работой: измеряла скорость вращения звёзд в галактиках. По законам Ньютона и Кеплера всё должно быть предсказуемо: чем дальше звезда от центра, тем медленнее она вращается — как планеты Солнечной системы. Меркурий несётся, Нептун ползёт.
Но галактики вели себя иначе. Звёзды на окраинах вращались почти с той же скоростью, что и у центра. Как если бы кто-то невидимый удерживал их, не давая разлететься. Рубин назвала это аномалией. Потом аномалий стало слишком много — и пришлось называть это тёмной материей.
Сегодня мы знаем о ней примерно следующее: она есть, её примерно в пять раз больше, чем обычного вещества, она не светится, не отражает свет, не взаимодействует с электромагнитным излучением. Она — невидимая арматура Вселенной. Без неё первые галактики просто не смогли бы сформироваться: обычного вещества слишком мало, чтобы своей гравитацией собрать газ в звёзды за время жизни Вселенной. Тёмная материя создала гравитационные колодцы, в которые стекалось всё остальное.
Мы знаем, что она делает. Мы не знаем, что она такое.
Главный кандидат долгие годы — вимпы, слабо взаимодействующие массивные частицы. Теоретически красивые, математически удобные. Под землёй в Южной Дакоте, на глубине больше километра, стоит детектор LZ — гигантский резервуар с жидким ксеноном. Километр породы над головой нужен, чтобы отсечь космические лучи. Если вимп столкнётся с ядром ксенона, должна возникнуть крошечная вспышка света.
Детектор работает. Физики ждут. Пока — тишина.
Эта тишина, впрочем, тоже информация. Она отсекает целые классы теоретических моделей. Мы методично закрываем двери, за которыми никого нет, чтобы найти ту единственную, которая скрипнет.
Параллельно охотятся за аксионами — лёгкими частицами с совершенно другими свойствами. Эксперимент ADMX использует резонансную микроволновую полость в сверхпроводящем магните: если аксионы существуют, в сильном магнитном поле они должны превращаться в фотоны определённой частоты. Это настройка радио, только диапазон — не FM и не AM, а что-то совершенно новое.
А ещё есть карликовые галактики — крошечные, почти без звёзд, почти без всего, кроме тёмной материи. В больших галактиках слишком много шума: взрывы сверхновых, чёрные дыры, магнитные поля. В карликовых — почти чистая гравитационная физика. Телескоп Gaia следит за миллиардами звёзд и по миллиметровым отклонениям их траекторий пытается вычислить, что именно пронеслось мимо невидимым грузовиком.
Подземные шахты. Космические спутники. Карликовые галактики. Три фронта — и пока ни один не дал однозначного сигнала.
Двигатель, который мы не заказывали
Если тёмная материя — скелет Вселенной, то тёмная энергия — это то, что рвёт его изнутри.
В конце 1990-х две независимые группы астрономов изучали сверхновые типа Ia — они горят с предсказуемой яркостью и потому служат космическими маяками для измерения расстояний. Обе группы ожидали увидеть одно и то же: расширение Вселенной постепенно замедляется под действием гравитации. Физика, логика, здравый смысл — всё указывало именно на это.
Обе группы получили противоположный результат. Расширение не замедляется. Оно ускоряется.
Я представляю, как они смотрели на эти данные. Это как бросить мяч вверх и увидеть, что он не замедляется, а летит всё быстрее — прямо в небо. Что-то толкает галактики друг от друга. Что-то с отрицательным давлением, противоположное гравитации. Это и назвали тёмной энергией.
Простейшее объяснение — космологическая постоянная Эйнштейна, энергия самого вакуума. Эйнштейн когда-то ввёл её, чтобы удержать Вселенную от сжатия, потом назвал это своей величайшей ошибкой, а теперь оказывается, что что-то похожее всё-таки есть — только знак другой и масштаб иной.
Но вот в чём проблема. Квантовая теория поля предсказывает значение этой энергии вакуума. И это значение отличается от наблюдаемого на 120 порядков. Единица с 120 нулями. Это официально худшее предсказание в истории физики.
Так что либо квантовая теория поля здесь неприменима. Либо космологическая постоянная — не энергия вакуума, а что-то другое. Может быть, динамическое поле, квинтэссенция, которая меняется со временем. Может быть, гравитация Эйнштейна нуждается в поправках на космологических масштабах. Может быть, мы чего-то фундаментально не понимаем.
Инструменты уже строятся. DESI составляет трёхмерную карту миллионов галактик. Обсерватория Веры Рубин будет сканировать южное небо каждые несколько ночей. Телескоп Roman будет искать тёмную энергию через линзирование и сверхновые. Все они хотят ответить на один вопрос: меняется ли тёмная энергия со временем? Если да — это не константа, а поле. Если нет — придётся объяснять, почему вакуум ведёт себя именно так, а не иначе.
Ответ на этот вопрос определит судьбу Вселенной. Буквально.
Два незнания — одна проблема
Я часто думаю: тёмная материя и тёмная энергия — это два совершенно разных незнания.
Тёмная материя похожа на задачу со скрытым условием. Мы знаем, что решение существует. Знаем примерный формат ответа. Просто не нашли нужное число. Это незнание конкретное, адресное, экспериментально осязаемое — вот детектор, вот ксенон, вот ждём вспышки.
Тёмная энергия — другое. Это незнание концептуальное. Мы не просто не знаем частицу. Мы не понимаем, из чего вообще задавать вопрос. Энергия пустого пространства? Динамическое поле? Ошибка в теории гравитации? Каждый вариант тянет за собой такой хвост следствий, что страшно дёргать.
Есть и третий вопрос, который висит над обоими: а вдруг мы просто неправильно понимаем гравитацию? Модифицированная ньютоновская динамика — MOND — неплохо описывает вращение отдельных галактик без всякой тёмной материи. Но ломается на скоплениях галактик и реликтовом излучении. Это не значит, что MOND неверна полностью — это значит, что у неё своя область применимости, и мы пока не понимаем, где она заканчивается.
Ситуация напоминает астрономов XIX века перед открытием Нептуна. Орбита Урана вела себя странно. Можно было либо предположить невидимую планету, либо изменить закон гравитации. Выбрали планету — и нашли её. Но не факт, что с тёмной материей будет так же просто.
Что дальше
Мы стоим в точке, которая в истории науки всегда предшествует чему-то большому.
Инструменты становятся на порядки точнее. LZ слышит тишину — но следующее поколение детекторов будет чувствительнее в сотни раз. Gaia собирает данные о миллиарде звёзд, и по их траекториям мы скоро сможем различать сгустки тёмной материи размером с небольшое звёздное скопление. DESI уже перекраивает нашу карту распределения галактик.
Возможно, через двадцать лет окажется, что тёмная материя — это целый невидимый зоопарк частиц со своими силами взаимодействия. Тёмные атомы, тёмные молекулы, тёмная химия — параллельный мир, который существует рядом с нашим и никогда с ним не встречается, кроме как через гравитацию.
Возможно, тёмная энергия окажется динамическим полем — и тогда судьба Вселенной зависит от того, в какую сторону оно меняется.
А возможно — и это самый неудобный вариант — мы откроем что-то, что не укладывается ни в одну из этих категорий. Что-то, для чего у нас пока нет слов.
Пять процентов береговой линии — и уже столько всего. Интересно, что там, в глубине материка.
******
Использованные источники
- Cosmic Frontier программа (US High Energy Physics) — официальные документы по стратегии поиска тёмной материи и тёмной энергии; отсюда формулировка «delve deep, search wide» и описание инструментов.
- Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) — описание роли тёмной материи в формировании крупномасштабной структуры.
- LUX-ZEPLIN (LZ) Collaboration — технические данные по детектору, глубина залегания, принцип работы.
- ADMX Collaboration — принцип работы аксионного детектора.
- Riess, A. et al. (1998); Perlmutter, S. et al. (1999) — открытие ускоренного расширения Вселенной, сверхновые типа Ia.
- Verde, L., Treu, T., Riess, A. «Tensions between the early and late Universe» (Nature Astronomy, 2019) — хаббловское натяжение и его связь с тёмной энергией.
******
Дисклеймер
Это научно-популярный текст, написанный любителем, а не профессиональным физиком или философом науки. Я стараюсь точно передавать содержание источников, но упрощения неизбежны. Если заметили фактическую ошибку — пишите в комментариях.
******
ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДПИШИТЕСЬ!
👉 Нажмите кнопку «Подписаться» на канале, чтобы не пропустить новые материалы.