Майкл Брукс - Тринадцать вещей, в которых нет ни малейшего смысла
В шестьдесят пятом Рубин перешла в вашингтонский Институт Карнеги. Проведя год в изматывающей гонке за квазарами — самыми активными и далекими из всех известных объектов во Вселенной, — она задумала взяться за что-нибудь поскромнее, что могла бы проделать своими силами. И решила всмотреться в пространство у границ галактик, поскольку никто эти области толком не изучал, все сосредоточились на центрах скоплений. Но Рубин не только запамятовала напрочь об университетской находке — по ходу дела ей пришлось усомниться и в собственных результатах. Она измеряла скорости звезд, наблюдая, как меняется световой спектр в зависимости от параметров движения. Каждую ночь Рубин составляла в среднем по четыре спектрограммы, постепенно уходя все дальше от центра галактики. Однако, несмотря на любые уточнения на этом пути, все результаты выглядели примерно одинаково, не сходясь с условиями задачи.
«Я постоянно ждала, что при следующем измерении монетка выпадет правильной стороной, — вспоминает Рубин. — А она всякий раз не хотела упасть, как надо».
Так или иначе, дело было сделано. К 1970 году Рубин закончила расчеты ротационной кривой для туманности Андромеды. Скорость движения звезд практически не менялась, как бы далеко от центра ни заглядывал наблюдатель. При таком сумасшедшем коловращении на периферии галактики центробежная сила неизбежно должна была вышвырнуть ее внешние звезды в открытый космос. По всем законам физики Андромеда обречена рассыпаться. Если этого не происходит, значит — она окутана галактическим гало, невидимым ореолом темной материи.
Из чего сделана сама темная материя, не знает никто. Кембриджский профессор Малькольм Сим Лонгэйр в своем «букваре» по космологии «Наша эволюционирующая Вселенная»[4] привел список кандидатов на темную материю. Этот перечень открывается одиночными планетами и звездами-карликами, а завершается обыкновенными кирпичами и подшивками старых журналов по астрофизике. Последний вариант — неслабый образчик научного юмора: именно в «Астрофизическом журнале» в 1970 году вышла работа Веры Рубин, впервые пролившая свет на темную материю.
Нельзя сказать, что та статья напрашивалась на сенсацию. Заголовок выглядел вполне нейтрально: «Вращение туманности Андромеды согласно спектральному анализу эмиссионных областей». Резюме как будто не содержало спорных утверждений, и броских выводов тоже не было. Автор просто сообщала о результатах измерения круговых скоростей звезд в галактике, не более того. Однако же график с двенадцатой страницы журнала до сих пор висит на стене кабинета Рубин в отделе геомагнетизма Института Карнеги. Он и сегодня столь же точен… и столь же загадочен, как в момент первой публикации.
Представления о незримом сгустке материи, удерживающем в своем гравитационном поле внешние звезды Андромеды, далеко не сразу завоевали популярность, но, во всяком случае, на сей раз привлекли к себе внимание. Для начала астрономы приоткрыли один глаз, который крепко зажмуривали тридцать семь лет кряду. Они принялись строить собственные ротационные кривые, порой придумывая самые диковинные объяснения, отчего галактическая масса распределяется так, а не иначе. Как говорит Рубин, ни одна из этих потуг ее не убедила: во всех альтернативных версиях часть точек на графике устанавливалась произвольно, часть попросту опускалась, в результате всякий раз выходил абсурд.
В начале следующего десятилетия астрономы перестали уклоняться от фактов. Наилучшим объяснением «неправильностей» в полях притяжения галактик было признано наличие некоего вещества, которое не светится, подобно звездам, не отражает свет, не испускает никаких волн или частиц, поддающихся обнаружению, и вообще не заявляет о своем существовании ничем, кроме гравитации. Теперь оставалось определить природу этого странного явления.
Первый симпозиум, посвященный новооткрытому феномену, состоялся в 1980 году в Гарвардском университете. Рубин уверенно заявила перед аудиторией, что проблему темной материи мы сможем решить не раньше чем через десять лет. Назначенный срок наступил и миновал, но ничего нового мы так и не услышали. В 1990 году на конференции в Вашингтоне британский королевский астроном — директор Гринвичской обсерватории Мартин Рис просто повторил обещание раскрыть тайну до начала очередного десятилетия. Но в девяносто девятом, за год до им же названной даты, пошел на попятную, объявив: «Нет сомнений, если бы я писал эти строки не сегодня, а пять лет спустя, то сумел бы объяснить, что такое темная материя».
И опять надежды не оправдались. Объяснений по-прежнему нет. За минувшие годы был предложен целый ряд экзотических версий — от черных дыр до не открытых пока частиц с необычными свойствами. Однако ни одна из них не соответствует всем положенным требованиям. Такое едва ли вдохновляет на продолжение поисков.
Ловля темной материи в черном пространстве — занятие не для малодушных, коль скоро попытки тридцать с лишним лет не приносили успеха. Однако за этот срок ученые разжились некоторыми идеями о том, где и как искать разгадку. Физики построили теоретические модели, объясняющие, какие частицы могли образоваться в момент Большого взрыва и до сих пор присутствовать во Вселенной, создавая эффект темной материи. Самый многообещающий кандидат на эту роль — гадательное нечто, получившее имя слабовзаимодействующих массивных частиц. Их чаще называют просто «вимпы», пользуясь английским сокращением[5]. Если теория верна, то темного вещества полно и вокруг нас. Специалисты по физике частиц считают, что Земля как раз сейчас проходит через облако темной материи; стало быть, каждую секунду нам на головы падает примерно миллиард вимпов.
В пестрой компании вимпов имеется свой ВИП: нейтралино. Эта гипотетическая частица, как полагают, достаточно устойчива, чтобы сохраниться в космосе спустя 13 миллиардов лет после Большого взрыва. Нейтрали-но невозможно увидеть и очень трудно уловить, так как оно совсем не участвует в сильных взаимодействиях, скрепляющих атомные ядра, и не фиксируется детекторами электромагнитных полей. При этом массы нейтралино — ее раз в сто больше, чем у протона, — вполне хватит для эффекта темной материи в галактиках. Вот только никому не известно, существует ли оно в действительности.
Чтобы экспериментально подтвердить существование темной материи, нужно заставить ее вступить во взаимодействие с чем-нибудь — лучше всего с атомами, имеющими тяжелое ядро. Охотники за темной материей используют для этого глыбы кристаллического кремния или германия либо большие емкости со сжиженным ксеноном. Они рассчитывают, что рано или поздно какой-нибудь вимп в своем полете по Вселенной угодит прямиком в одно из массивных атомных ядер. Когда это произойдет, ядро должно чуточку «отскочить» (если оно находится в кристаллической решетке) или испустить электрический импульс (в жидком ксеноне). Однако здесь возможны осложнения.
Во-первых, ядра атомов постоянно испытывают те или иные природные колебания, следовательно, физики должны удерживать их в полном покое, дабы избежать ложных показаний приборов. Кристаллы, например, приходится охлаждать до температуры, предельно близкой к абсолютному нолю, при которой прекращается всякое движение. Но на таком морозе и датчики замрут; добиться от них нормальной работы будет невероятно сложно. Вторая помеха — космическая радиация.
Земную поверхность непрерывно бомбардируют потоки быстрых частиц из космоса. При каждом их попадании аппаратура выдает показания, ничем не отличающиеся от предполагаемой поимки вимпа. Значит, поиски нужно вести глубоко под землей, куда не проникнет посторонний космический мусор. Из-за этого экспериментаторам приходится устраивать лаборатории в самых труднодоступных местах планеты. Итальянская исследовательская группа поместила датчики под подошвой горы. В Соединенном Королевстве охота за нейтралино идет на километровой глубине, в залежах калийной соли, где штреки давних выработок тянутся под океанское ложе. Американцы выслеживают темную материю в заброшенных железных копях на севере Миннесоты, в семистах метрах под поверхностью земли.
Представив себе труд в подобных условиях, можно оценить серьезность намерений ученых. Тем не менее пока им ничего не удалось поймать. Экспериментальные поиски темной материи ведутся второй десяток лет, а многие исследователи посвятили этой проблеме вдвое больший срок жизни. Приборы постоянно совершенствуются, их чувствительность повышается, однако по-прежнему нет сколько-нибудь отчетливых представлений о том, что создает странные гравитационные поля в космосе.
Невероятно, но факт: полная четверть вселенской массы для нас даже не темный лес, а просто тьма непроглядная. Остается утешать себя тем, что эту «неявную» долю удалось хотя бы вовремя заметить. В противном случае даже представить трудно, что сотворилось бы в головах ученых в 1997 году, как только была обнаружена очередная брешь в мироздании. Если темная материя оказалась крепким орешком, то открытие темной энергии стало без малого катастрофой для теоретической физики.
