Во славу темной материи

Темная материя дослужилась-таки до популярного мема (согласно «Википедии», мем — единица культурной информации). Почти столь же популярного, как динозавры. В свое время как могли пытались связать то или иное явление с вымиранием динозавров, это считалось сильным пиар-ходом. Например, лет двадцать назад гремела гипотеза, что динозавры вымерли от близкого гамма-всплеска. А вот теперь на русском вышла книга «Темная материя и динозавры» (Лиза Рэндалл, АНФ, 2017), где предполагается, что дата вымирания динозавров связана с темной материей (именно с галактическим диском из нее). Связать между собой две столь популярных сущности — это очень сильный ход, даже если приходится с большим усилием натягивать одно на другое.

И всё же темная материя — важнейшая часть мироздания, и Лиза Рэндалл, по сути, права: не будь этой субстанции, не было бы ни галактик, ни звезд, ни динозавров, не было бы и их вымирания. Связь налицо.

Любой популярный мем вызывает как позитивную, так и негативную реакцию. В последнее время довольно часто раздается разного рода брюзжание по поводу темной материи: дескать, никто ее не видел, а изобрели только для того, чтобы прикрыть несостоятельность астрофизики. Ссылки на то, что темная материя блестяще объясняет совершенно разные эффекты, а ее количество измерено с точностью до процентов, не помогают. Аргумент типа «никто не видел и не щупал» оказывается сильней. А авторитет всяческих физиков уже не тот.

Между тем темной материи в пять раз больше, чем обычной, и именно она сформировала обитаемую Вселенную. Поэтому полезно сказать пару слов во славу этой важнейшей субстанции.

Темная материя воочию

Для тех, кто все-таки сомневается в существовании темной материи, — картинка, где она «видна глазами» (рис. 1). Это снимок «Хаббла» двух скоплений галактик, пролетевших одно сквозь другое, с наложением поверх этого карты распределения горячего газа от рентгеновского телескопа «Чандра» (розовый цвет) и карты распределения массы по результатам гравитационного линзирования далеких галактик (синий цвет). Где находится основная масса обычного (барионного) вещества скопления? Не в звездах, а в газе (по крайней мере, его доля в пять раз больше звезд). Масса газа оценивается по интенсивности рентгеновского излучения — чем она выше, тем чаще сталкиваются частицы. Газ горячий, поэтому он прекрасно виден в рентгене.

Что же там происходило? При пролете скоплений одно сквозь другое газ обоих скоплений неупруго провзаимодействовал, собрался в облако посередине и отстал от своих галактик. Повторим, это большая часть обычного вещества скоплений. А звезды галактик — меньшая часть обычного вещества — свободно пролетели мимо друг друга и продолжили свой путь. Но это лишь пятая часть массы. А где основная часть, показанная синим? Не там, где газ, а там, где звезды: т. е. основная масса, во много раз превышающая массу газа и в десятки раз — массу звезд, повела себя, как звезды, — ее облака свободно пролетели друг сквозь друга и также продолжили свой путь. Так может вести себя только та материя, которая не взаимодействует с обычным веществом и сама с собой, т. е. «темная» (термин «невидимая материя» был бы точней, но «темная» звучит лучше).

Как получили карту распределения массы, показанную синим цветом? С помощью достаточно хорошо отработанной методики, которая называется «слабое гравитационное линзирование». Массивная гравитационная линза может растянуть изображение далекой галактики в длинную дугу — это случается, когда луч зрения на ту галактику проходит близко к центру скопления. Это сильное линзирование. Подобные дуги видны на снимках некоторых скоплений галактик, но распределение массы из дуг построить можно далеко не всегда. Под слабым линзированием подразумевают то, что изображения далеких («фоновых») галактик лишь немного вытягиваются перпендикулярно направлению к центру линзы. Одна галактика здесь погоды не делает, но их сотни — тут уже включаются и хорошо работают статистические методы.

Если бы темной материи не было, то синий цвет (распределение массы) на этом снимке совпадал бы с розовым (распределение газа).

Конечно, изначально вывод о существовании темной материи был сделан из совсем других наблюдений. Еще в 1933 году Фриц Цвикки, измерив скорости галактик в большом и сравнительно близком к нам скоплении Coma (созвездие Волосы Вероники), заявил, что массы имеющихся там звезд не хватает, чтобы объяснить разброс их скоростей — а без этой массы скопление с гарантией разлетелось бы (недостача более чем существенная — общая масса должна была быть в десятки раз больше). Позже начали систематически строить кривые вращения галактик — зависимость орбитальных скоростей звезд от расстояния до галактических центров. И снова она оказывалась не такой, как следовало бы из распределения массы видимого вещества в галактиках, — существенно больше, особенно на периферии. Значит, есть что-то еще, в несколько раз превышающее массу звезд и газа в галактиках.

Что бы это могло быть? Например, обыкновенные кирпичи. Как это ни комично, их в данном случае достаточно сложно обнаружить. Подошли бы, скажем, мелкие и крупные астероиды, планеты-сироты, мелкая галька… а вот пыль уже не подходит из-за того, что у нее слишком велик показатель общей площади поверхности на единицу массы и, соответственно, она не может оставаться невидимой из-за своей способности поглощать и переизлучать свет звезд.

Нельзя ли как-нибудь иначе объяснить большие скорости движения галактик в скоплениях и звезд в галактиках? Это пытаются сделать уже многие десятки лет с помощью изобретения теорий модифицированной гравитации. Среди них так называемая MOND — модифицированная ньютоновская динамика: при очень слабом гравитационном поле ускорение тел меньше, чем положено по закону Ньютона. Формально таким способом можно объяснить эти неправильные скорости. Но объяснить картинку, приведенную выше, с помощью «подправленных» теорий тяготения невозможно. Для этого нужно было бы подправить не только силу тяготения, но и ее направление, чтобы вместо тяготеющего облака газа получить два тяготеющих центра в других местах (напомним, что масса звезд в галактиках во много раз меньше массы газа).

Альтернативные теории гравитации предлагаются со времен Эйнштейна. Но классическая теория стоит как скала, будучи самой стройной. Альтернативные же теории нуждаются во всяких «подпорках» и валятся одна за другой при появлении новых данных.

Впрочем, есть и гораздо более сильный аргумент в пользу реальности существования темной материи. Ведь все попытки обойтись без нее разбиваются о космологию, об историю ранней Вселенной. О нее же разбиваются и варианты темной материи типа кирпичей, астероидов и других объектов, сделанных из обычного (барионного) вещества.

Темная материя на «детском снимке» Вселенной

Главное свидетельство присутствия темной материи в ранней Вселенной «вписано» в карту реликтового излучения. Это не единственный, но самый богатый источник космологической информации о темной материи. Реликтовое излучение — микроволновый фон, «остывший свет» горячей плазмы, который перестал взаимодействовать с космической средой тогда, когда Вселенной было всего 380 тыс. лет от роду и в ней царила температура 3000 кельвинов (сейчас тепловой фон упал до 2,7 К). Это время называют эпохой рекомбинации — тогда произошел переход обычного вещества из плазменного (непрозрачного для фотонов) в газообразное (прозрачное) состояние. Вещество в той юной Вселенной было гораздо однороднее, чем сейчас, — никаких галактик, скоплений галактик и пустот (не говоря уж о звездах и планетах) тогда не было, а неоднородности обычного вещества составляли относительную величину порядка 10^–5. Эти неоднородности приводят к зависимости температуры реликтового излучения от направления на небесной сфере (анизотропии), с высокой точностью измеренной в многочисленных экспериментах, среди которых на сегодняшний день наиболее информативен, пожалуй, космический эксперимент «Планк». Иными словами, температурная карта Вселенной возраста 380 тыс. лет слегка пятниста (рис. 2). Контраст этой пятнистости лишь немногим выше, чем 10^–5, но она несет уйму информации.

Темная материя и обычное вещество влияют на температуру реликтового излучения существенно по-разному. Для обычного вещества основной эффект — это неоднородность горячей среды, проявляющаяся в звуковых колебаниях космической плазмы. В русскоязычной литературе их нередко называют «сахаровскими осцилляциями», а в англоязычной литературе — «акустическими осцилляциями»¹. Эти колебания прекрасно видны в данных по реликтовому излучению — там, где плотность горячей среды выше, там и температура выше. Для темной материи такого явления нет: температура 3000 K к ней отношения не имеет, темная материя — холодная (или «прохладная»). Строго говоря, здесь важна не температура, которой мы не знаем (она зависит от массы частиц темной материи), а скорость частиц — она должна быть достаточно малой, чтобы частицы могли скапливаться в гравитационных ямах. И они скапливались, к моменту рекомбинации почти на два порядка увеличив глубину гравитационных ям (там, где плотность выше) или высоту горбов (где плотность ниже). Эти ямы и горбы фактически видны на карте реликтового излучения, хотя и не напрямую, а при определенной обработке. Эта обработка называется «разложением по угловым мультиполям», она отражает зависимость контраста пятен от их размера. Разложение показано на рис. 3. Плавные пики, самый высокий из которых соответствует размеру пятен около градуса, появились благодаря обычному веществу — это и есть упомянутые выше сахаровские осцилляции. Высота этих пиков сильно зависит от концентрации обычной материи — отсюда получается очень точное измерение этой концентрации. А вот «подложку» под этими пиками обычной материей объяснить невозможно — если бы не темная материя, этой «подложки» почти не было бы. Здесь и сказывается темная материя, «стекшаяся» в образованные ею гравитационные ямы. Звуковых волн в темной материи нет (поскольку нет давления), так что вклад темной материи в угловые мультиполи не осциллирует.

Несколько огрубляя ситуацию, можно сказать, что реликтовые фотоны, выбираясь из гравитационных ям, теряют энергию; их частота, а стало быть и температура, уменьшаются. Таким образом, темная материя тоже приводит к анизотропии реликтового излучения, но за счет совсем другого механизма. Довольно сложная картина анизотропии реликтового излучения прекрасно описывается тем, что космическая среда в юной Вселенной состояла как из обычного вещества, так и из темной материи в массовом соотношении 1:5.

Проблема для модифицированной гравитации, пытающейся обойтись без темной материи, состоит в том, что Вселенная (вместе с неоднородностями в ней) на раннем этапе эволюции, во время и до отщепления реликтового излучения, замечательно описывается общей теорией относительности и концепцией темной материи, причем при этом описании достаточно использовать самую простую (а значит, надежную) линейную теорию неоднородностей. Точность этого описания составляет доли процента. Ничего такого модифицированные модели гравитации не дают и близко. Ученые, агитирующие за модифицированную гравитацию без темной материи, стараются это обстоятельство замести под ковер, а в лучшем случае соглашаются с тем, что проблема есть, но надеются, что «как-нибудь рассосется». Нам (и не только нам) ситуация здесь представляется безнадежной. Разумеется, соотношение обычной и темной материи 1:5, требуемое для описания картины реликтового излучения, закрывает и возможность того, что темная материя — это кирпичи, астероиды или любые другие объекты, состоящие из обычного вещества. Подчеркнем, что точность измерения вклада обычного (барионного) вещества в плотность энергии в нашей Вселенной на основе данных по реликтовому излучению составляет доли процента. С экзотическими гипотезами не разбежишься! Кстати, несколько более слабое, но исторически первое ограничение на количество обычной материи получено из теории первичного нуклеосинтеза, произошедшего в первые три минуты существования Вселенной и давшего четверть гелия, немного дейтерия и лития. Если бы темная материя состояла из протонов и нейтронов (как кирпичи), то результат первичного нуклеосинтеза противоречил бы наблюдениям.

Каркас Вселенной

В заключение скажем, что темная материя крайне важна для нашего существования. Если бы ее не было, то неоднородности вещества на всех масштабах расстояний при температуре 3000 К составляли бы, как мы говорили, относительную величину порядка 10^–5. Важно, что до этого горячее вещество находилось в состоянии плазмы, в нем было много фотонов, которые обеспечивали высокое давление, и неоднородности в обычном веществе не росли по амплитуде. Это, собственно говоря, и видно в картине реликтового излучения. Если бы пространство было заполнено лишь обычным веществом, то неоднородности выросли бы с тех пор по амплитуде в 1100 раз (амплитуда растет обратно пропорционально температуре). Таким образом, если бы не темная материя, то относительная амплитуда неоднородностей сейчас составляла бы несколько процентов. Этого мало для того, чтобы из неоднородностей образовались серьезные структуры — галактики, скопления галактик, звезды, планеты, мы с вами. Вселенная до сих пор была бы почти однородной — и безжизненной. Спасает дело темная материя. Давление в ней отсутствует, ее собственные неоднородности со сравнительно маленькими размерами (соответствующими, например, протозвезде) начинают расти по амплитуде еще задолго до рекомбинации и становятся достаточными для образования первых плотных сгустков темной материи через сотни миллионов лет. Области с повышенной плотностью темной материи гравитационно притягивают к себе обычное вещество, которое после рекомбинации в свою очередь сваливается в гравитационные ямы, образованные темной материей. Так и образуются первые звезды, затем галактики и — уже совсем недавно по космологическим меркам — скопления галактик. Такая картина в целом подтверждается большим набором наблюдательных данных и никак не укладывается в представления о модифицированной гравитации.

Общее заключение: благодаря наблюдениям мы знаем о Вселенной и объектах в ней так много, что экзотическим гипотезам о ее составе и эволюции (за исключением самых ранних этапов, соответствующих временам жизни меньше одной секунды) остается очень мало места. Темная материя во Вселенной есть, известно, сколько ее, известны многие ее свойства. Известна ее роль в мироздании — что-то вроде несущей конструкции, каркаса Вселенной. Но неизвестно, из чего сделан этот каркас! На этот счет есть много гипотез, но пока темная материя старательно ускользает от прямого детектирования и проявляет себя только через гравитацию. Узнать, из чего она состоит, — одна из самых амбициозных задач для физиков.

Валерий Рубаков, Борис Штерн

¹ Рубаков В., Штерн Б. Масштабная линейка Вселенной // ТрВ-Наука № 83 от 19 июля 2011 года, с. 2–3.