За последние несколько десятилетий космологии, науке о происхождении и строении Вселенной, удалось с той или иной степенью убедительности ответить на многие вопросы, веками мучившие воображение человека. Среди ее наиболее впечатляющих успехов - построение достаточно стройной и логичной модели Большого Взрыва, первопричины возникновения окружающего нас материального мира, разработка и экспериментальное подтверждение теории расширяющейся (инфляционной) Вселенной, обнаружение большого числа новых космических объектов и т. д. Однако, как это ни парадоксально, во многом благодаря обилию этих научных достижений современная космология и родственная ей астрофизика столкнулись с целым рядом труднообъяснимых явлений, ставящих под серьезное сомнение фундаментальные посылки столь кропотливо разрабатываемых учеными новейших теорий.
Пожалуй, центральной проблемой современной космологии сегодня считается поиск базовых составляющих таинственной "темной материи" (dark matter) - невидимой никакими детектирующими приборами субстанции, которая, как полагают специалисты, составляет основную массу вещества во Вселенной.
Невидимая сила
Сам факт существования "темной материи" сегодня уже практически не оспаривается наукой: полученные путем различных хитроумных методик данные о ненормальной специфике гравитационного поведения космических объектов убедительно свидетельствуют о наличии мощной невидимой силы, не позволяющей им разлететься прочь друг от друга. Если бы не эта "темная сила", известные науке обычные составляющие вещества во Вселенной, участвующие в гравитационном взаимодействии, были бы не в состоянии поддерживать существующий миропорядок.
"Первооткрывателем" этой загадочной субстанции считается Фриц Цвикки, почти 70 лет назад (в 1933 году) опубликовавший пионерскую работу, в которой содержалось предположение о наличии во Вселенной значительного количества не известной науке формы вещества. Несмотря на то что как астрофизика, так и физика микромира тогда находились еще на пороге многих великих открытий ХХ века, в последующие десятилетия изыскания ученых так и не смогли ни опровергнуть, ни подтвердить раннюю догадку Цвикки. Но по мере развития космонавтики и создания все более мощных телескопов и прочей сопутствующей аппаратуры идея о явном превалировании "темной материи" над известными науке формами постепенно стала доминировать.
Впрочем, вплоть до самого недавнего времени среди ученых существовал довольно широкий разброс мнений относительно того, какую именно долю в массе Вселенной составляет загадочное "темное вещество": оценки разнились от 80% до 96%. Но, если подтвердятся результаты новейших исследований, проведенных астрофизиками из Кембриджского университета (они были обнародованы в начале сентября этого года на специальном симпозиуме), этот разнобой, возможно, уйдет в прошлое. После тщательной обработки данных о строении и составе пяти галактических кластеров (крупных скоплений галактик), находящихся на расстоянии от 1,4 до 4 млрд световых лет от нашей планеты, ученые заявили, что им удалось установить достаточно точную цифру: 87%. Как сообщил на симпозиуме руководитель исследовательского проекта Стивен Аллен, "мы обнаружили, что звезды в галактиках и межгалактическое вещество составляют лишь около тринадцати процентов от общей массы вещества в кластерах. Остальная масса, по-видимому, приходится на долю 'темной материи'".
Разумеется, информация о предположительном распределении вещества в исследованных пяти галактических кластерах (полученная с космической обсерватории Chandra, вот уже несколько лет барражирующей во Вселенной) отнюдь не означает, что такая пропорция между обычным веществом и "темной материей" автоматически соблюдается во всей Вселенной в целом, но, по мнению специалистов, она с достаточно высокой степенью точности может использоваться в качестве нового ориентира, поскольку на долю кластеров приходится значительный объем известной массы Вселенной.
Карлики пенсионного возраста
На фоне последних изысканий кембриджских ученых, умудрившихся столь хорошо посчитать нечто, чему до сих пор не найдено сколько-нибудь внятного объяснения, поиски ответа на застарелый вопрос о том, что же может представлять собой загадочная "темная материя", переходят в разряд первостепенных для мирового астрофизического сообщества.
Увы, до сих пор само определение понятия "темная материя" в большинстве научных глоссариев звучит крайне расплывчато - так, в обзорном докладе американских астрофизиков "Одиннадцать ключевых вопросов науки нового столетия", вышедшем в январе этого года, содержится следующая расшифровка: "'Темная материя' - вещество, не испускающее достаточного количества света или иных форм электромагнитного излучения для того, чтобы быть непосредственно наблюдаемой. Большая часть вещества во Вселенной, по-видимому, принадлежит именно к этому типу".
Правда, справедливости ради следует отметить, что за последние несколько лет в этом направлении вроде бы наметился определенный прогресс. Так, из довольно обширного спектра возможных кандидатов на роль представителей "темной материи" были вычеркнуты некоторые экзотические формы вещества, а также более четко определены "условия приема" в число таковых. С другой стороны, в результате этого уточнения дефиниций возник целый ряд новых разночтений. Наиболее яркий пример - существовавшее до недавнего времени разделение "темного вещества" на два подкласса: нормальное, или барионное (то есть вещество, состоящее из барионов, массивных элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии, наиболее распространенные из которых в природе - протоны и нейтроны), и небарионное, к которому причисляются гипотетические, то есть до сих пор не обнаруженные экспериментально, элементарные частицы, получившие условное наименование "слабо взаимодействующие массивные частицы" (WIMPs, weakly interacting massive particles).
Как показали недавние исследования, проведенные учеными из Калифорнийского университета (Беркли), основная масса барионной темной составляющей Вселенной, если она существует, содержится в так называемых белых карликах, бывших активных звездах "глубокого пенсионного возраста", коллапсировавших в небольшие сферические объекты с очень высокой плотностью (многие из этих карликов по своему размеру сравнимы с Землей, но при этом их масса составляет около 1/2 от массы Солнца). Руководитель калифорнийского проекта Бен Оппенхеймер, комментируя весной этого года информацию об обнаруженных его группой в гало, окружающем Млечный Путь, нескольких десятков белых карликов, признал, что "использование термина 'темное вещество' по отношению к видимым звездным остаткам теперь представляется явно неудачным".
Под большим вопросом и отнесение к "темному веществу" легендарных черных дыр. Причем, даже если они и ответственны за часть недостающей во Вселенной материи, их вклад в эту недостачу скорее всего весьма ограничен. Вообще на все барионное "темное вещество" (с учетом белых карликов и черных дыр), по разным расчетам, вряд ли приходится более трети из упомянутых выше 87 недостающих процентов.
Кто ответит за две трети
Итак, к настоящему времени астрофизики склоняются к тому, что наиболее весомыми (как в прямом, так и в переносном смысле этого слова) кандидатами на роль подлинных представителей неуловимой "темной материи" следует считать до сих пор не обнаруженные WIMPs-частицы, которые как раз и составляют недостающие две трети.
Наиболее популярными разновидностями WIMPs в современной астрофизике считаются массивные нейтрино, а также экзотические нейтралино и аксионы. Однако кандидатура первых уже не вызывает большого энтузиазма ученых: по существующим сегодня прикидкам возможного диапазона их масс предполагаемое количество нейтрино во Вселенной - даже если подтвердятся самые оптимистические прогнозы о том, что число нейтрино не меньше, чем число фотонов, - существенно не дотягивает до магической весовой величины "темной материи". Таким образом, по большому счету, выбор астрофизиков (по крайней мере на данный момент) крайне невелик: остаются два кандидата.
Впрочем, гипотетические аксионы, элементарные частицы с очень небольшой массой, постулирование существования которых может разрешить ряд противоречий, с которыми сталкивается теория квантовой хромодинамики, пока представляются в большей степени плодом разгоряченного воображения современных радикальных физиков-теоретиков. Поэтому главная надежда современной науки - нейтралино, частицы с нейтральным зарядом и спином 1/2, предсказанные ставшей уже почти мейнстримовской теорией суперсимметрии. Предположительная масса нейтралино - порядка 100 ГэВ, что можно считать более чем серьезной заявкой на признание их в качестве главной составляющей "темного вещества". На экспериментальное обнаружение нейтралино сегодня брошены значительные интеллектуальные силы мирового физического сообщества, и, наряду с отловом хиггсовских бозонов (см. "Эксперт" N31 за 2001 г.), это направление исследований представляется важнейшим в обозримом будущем.
Шансы на поимку первых "легчайших" представителей WIMPs (к числу которых относится нейтралино) на уже действующих суперускорителях (чикагском теватроне или женевском LHC) оцениваются специалистами достаточно высоко. А на случай, если все-таки этого сделать не удастся, физиками припасен проект нового суперколлайдера, необходимость строительства которого в последнее время активно лоббируется мировым физическим сообществом. Правда, необходимых для этого 6 млрд долларов пока найти не удалось.
