Тёмная материя — это настоящая головная боль.
Сам термин «тёмная материя» относится к гипотетическому веществу, которое, по-видимому, взаимодействует с остальной частью Вселенной исключительно посредством гравитации и служит каркасом для галактик и других массивных космических структур. Однако, несмотря на десятилетия интенсивных поисков, реальные частицы тёмной материи так и не были обнаружены. Некоторые критики, следовательно, отвергают эту концепцию, считая её выдумкой, которую физики используют для подкрепления своих неполных теорий о том, как устроена Вселенная. Но независимо от того, является ли тёмная материя «реальной» вещью или удобным плодом воображения теоретиков, существует слишком много доказательств её наличия, чтобы эта проблема исчезла просто по чьему-то хотению.
Называйте это как хотите, но во Вселенной явно происходит что-то очень странное. Звёзды на окраинах галактик вращаются слишком быстро. Галактики слишком быстро кружат в скоплениях. Богатые материей нити космической паутины слишком быстро сливаются. И есть ещё много других примеров.
Все попытки отправить тёмную материю в подвал отвергнутых физических идей, такие как модификация силы тяжести для учёта всех связанных с ней наблюдаемых странностей, потерпели неудачу — и очень серьёзную. Хотя невозможно исключить такие подходы — никогда не знаешь, что хитроумный теоретик может придумать завтра — полвека исследований пока не принесли никаких удовлетворительных результатов.
Десятилетия исследований в значительной степени исключили очевидных кандидатов на роль тёмной материи, которые были вдохновлены физикой высоких энергий. Но физика высоких энергий — не единственная область знаний. Есть и другие области, в том числе физика конденсированного состояния — раздел физики, который изучает свойства больших скоплений материи, например, как все атомы в стекле объединяются, чтобы сделать его прозрачным. Эта область физики имеет свои собственные странные уголки, такие как загадочный мир сверхпроводимости. И эти уголки достаточно странны, чтобы дать потенциально полезное вдохновение для понимания загадки тёмной материи.
Наше лучшее предположение о природе тёмной материи заключается в том, что существует некая форма материи, которая не взаимодействует со светом — или с чем-либо ещё, или даже с самой собой. (Понятно, что это не лучшее предположение, но это самое хорошее из тех, что у нас есть). Эта материя занимает большую часть почти каждой галактики и более крупных структур, и она просто, ну, находится там, существует, давая о себе знать только через своё гравитационное притяжение к видимой материи.
Каждый аспект космологических исследований указывает на то, что лишь небольшая часть материи во Вселенной светится. После столетий усилий, разработки периодической таблицы, «зоопарка» частиц, Стандартной модели физики частиц, сил природы и всего остального, мы теперь знаем, что едва-едва углубились в тему.
Но наука — это путь смирения, поэтому у нас есть только один выбор: идти вперёд.
В наших путешествиях по тёмным уголкам Вселенной мы располагаем множеством мощных инструментов. Один из них — это набор наблюдений, измерений, проводимых в масштабах от галактических до космических, охватывающих всю видимую Вселенную и глубину времён. Все эти наблюдения дают информацию и, в конечном счёте, позволяют оценить любую потенциальную теорию. Мы, может быть, и не знаем, что такое тёмная материя, но мы очень хорошо понимаем, как она действует. Если у вас есть собственное представление о тёмной материи, оно должно пройти испытание наблюдениями. Если какая-то идея не выдерживает испытания, мы переходим к следующей.
Другим мощным инструментом является сама физика, наше математическое исследование мира. Мы не до конца понимаем тёмную материю, её природу, характеристики или взаимодействие с остальной частью Вселенной. Но мы знаем, с разной степенью уверенности, что происходит в остальной части Вселенной. Тёмная материя — это как недостающий кусочек в пазле; мы не знаем, что это за кусочек, но примерно знаем, какой формы он должен быть.
Что бы ни было тёмная материя, она должна подчиняться законам физики (даже если мы ещё не знаем всех этих законов).
Например, когда Вселенной было менее минуты, тёмная материя должна была каким-то образом отделиться от обычной материи (процесс, называемый «вымораживанием»), чтобы получить правильное современное количество, которое мы выводим из наблюдений. Так мы пришли к нашему ведущему кандидату на роль тёмной материи, WIMP, или слабо взаимодействующей массивной частице. В теориях физики были сформулированы гипотезы о существовании некоторых частиц, которые, если бы они были активными, многочисленными и широко распространёнными во Вселенной, естественным образом выполняли бы именно эту функцию.
Однако нам ещё предстоит непосредственно обнаружить WIMP, а теоретические основы этой гипотезы оказались весьма шаткими.
Поэтому мы продолжаем поиски.
Есть ещё аксион, ещё одна гипотетическая частица, происходящая из физики высоких энергий — она в триллионы раз легче WIMP. Если аксион существует и обладает нужными свойствами, он тоже мог бы выполнять все те функции, для которых, как мы знаем, нужна тёмная материя.
Но мы ещё не обнаружили аксион напрямую — хотя, честно говоря, мы не искали аксионы так же тщательно, как WIMP, просто потому, что WIMP считались наиболее вероятным кандидатом на роль тёмной материи.
Так что мы продолжаем поиски.
В мае Гуанмин Лян и Роберт Колдуэлл, оба из Дартмутского колледжа, опубликовали статью в журнале Physical Review Letters, в которой предложили своего кандидата на роль тёмной материи. Пессимист, взглянув на это исследование, может скептически заметить: «О, какая радость, ещё одно предложение по поводу частицы-кандидата, вероятно, уже сотое за этот месяц, которое почти наверняка ошибочно — просто ещё одна случайная попытка блуждания в потёмках, ещё одна макаронина, брошенная на холодильник космологии».
Такая реакция была бы справедливой. Эта модель, вероятно, — нет, почти наверняка — неверна. Но это потому, что большинство моделей в большинстве случаев неверны. Если бы мы знали ответ заранее, нам не нужно было бы заниматься наукой. Мы можем найти правильный ответ, только отсеивая все неправильные, отделяя зёрна от плевел, пробуя снова и снова, пока не найдём что-то достойное.
Но мы узнаем это только тогда, когда попробуем.
И что замечательно, модель Ляна и Колдуэлла не просто пытается что-то сделать – она пытается сделать что-то действительно новое. Вместо того, чтобы черпать вдохновение из физики высоких энергий с гипотетическими частицами, полученными из того или иного экзотического взаимодействия, авторы обращаются к физике конденсированного состояния и, в частности, к странной природе сверхпроводимости.
В обычном проводнике электроны переносят электричество, но они также создают сопротивление. Однако при достаточно низких температурах и в подходящих материалах электроны конденсируются — или, если хотите, «замерзают» — располагаясь парами в конфигурации с более низкой энергией. Это устраняет электрическое сопротивление и создаёт магию сверхпроводимости.
По аналогии с этим, модель Лянга и Колдуэлла рассматривает тёмную материю как суп экзотических частиц, родившихся через мгновение после Большого взрыва, в странную эпоху до появления протонов и нейтронов. Этот суп не взаимодействует с обычной материей, но и сам по себе необязательно имеет массу. По мере расширения и охлаждения космоса частицы тёмной материи конденсируются и скапливаются, образуя массивные «капли», которые продолжают свою собственную эволюцию, не связанную с остальной видимой материей во Вселенной, за исключением их гравитационного влияния.
Расчёты сложны и носят предварительный характер, но они многообещающи. Главное преимущество этого подхода заключается в том, что он позволяет создать новый механизм образования тёмной материи в бурных условиях первых минут после Большого взрыва, который не зависит от тех же этапов, что и обычная процедура WIMP. И эта модель не просто повторяет существующую эволюцию тёмной материи. Если экзотические частицы имеют некоторую массу, то только некоторые из них конденсируются, образуя тёмную материю. Остальные остаются на месте в качестве фона, насыщающего Вселенную, потенциально играя роль тёмной энергии, таинственной силы, которая, по-видимому, ускоряет расширение Вселенной. Важно, что в этой модели тёмная энергия может меняться со временем, что согласуется с предварительными результатами исследований галактик.
Подобные исследования — лишь первый шаг: проверка правдоподобности, которая позволяет получить примерно правильное количество тёмной материи в примерно правильное время. Ещё предстоит выяснить, может ли это объяснить огромное количество доказательств существования тёмной материи, которые у нас есть: может ли это одновременно объяснить широкий спектр явлений, которые мы приписываем тёмной материи, от самых ранних эпох космоса до современной вселенной, наполненной звёздами?
И может ли это пройти окончательную проверку? Может ли оно предсказать существование частицы — или капли конденсата тёмной материи — которую мы когда-нибудь сможем увидеть своими глазами?
Поиск истинной природы тёмной материи действительно вызывает разочарование, потому что, мягко говоря, любой модели приходится преодолевать множество препятствий. Мы не поверим в эту модель или любую другую гипотезу, пока она не преуспеет там, где потерпели неудачу многие другие.
Так что мы продолжаем поиски.