Текст книги "Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса"

Автор книги: Уильям Уоллер

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 13 страниц)

Может быть, белые карлики и малы, но время от времени они способны затмить своих звездных родственников огромными показателями других величин. Поскольку их звездные массы сосредоточены в формах планетарного размера, их поверхностная гравитация необычайно высока – она в миллиард с лишним раз превышает поверхностную гравитацию Земли. Все, что упадет на поверхность белого карлика, произведет большой взрыв. Именно это случается, когда белый карлик находится в тесной двойной звездной системе. По мере того как звезда-спутник превращается в красного гиганта, ее внешняя атмосфера подпадает под гравитационное воздействие белого карлика, затем вещество от несчастного гиганта обтекает белого карлика и проникает на его поверхность. Вещества становится все больше, и в какой-то критический момент, по достижении пороговых значений массы и плотности, на поверхности белого карлика начинается неконтролируемая цепная термоядерная реакция. Этот бушующий пожар звездных масштабов был отождествлен с «новой звездой», феноменом, при котором яркость звезды-спутника внезапно возрастает минимум в 10 000 раз, а максимум – в 16 миллионов раз (на 10–18 звездных величин). Теперь мы знаем, что это – разительно заблиставший белый карлик, невидимый в иных условиях. В Млечном Пути ежегодно наблюдается около десяти «новых звезд», причем примерно одну из них можно заметить невооруженным глазом.

Последнее, что может совершить белый карлик, – это взорваться и выбросить в космос все свое вещество. Считается, что это происходит в тесных двойных системах, когда белый карлик накапливает достаточно массы от звезды-спутника и превышает предел Чандрасекара в 1,4 M_⊙. Внезапный взрыв, направленный вовнутрь, вызывает ударные волны, которые разрывают остатки белого карлика. Последствия таких взрывов предстают перед астрономами в виде сверхновых типа Ia, когда в спектрах вспышек очень мало эмиссионных линий водорода, поскольку взрывающийся белый карлик по большей части лишен какой-либо водородной оболочки. А вот коллапс ядра у массивных звезд, богатых водородом, приводит к образованию сверхновых типа II, в спектрах которых эмиссионных линий водорода много. Все сверхновые типа Ia возникают из остатков, практически равных по массе, и обладают одинаковой полной светимостью, поэтому их можно использовать как стандартные свечи при определении расстояний до галактик, в которых эти звезды находятся. Так астрономы достоверно подсчитали расстояния до галактик, удаленных от Земли на миллиард световых лет.

Нейтронные звезды

На массивной звезде с бездействующим ядром, масса которой превышает 1,4 M_⊙, под воздействием гравитации произойдет имплозия – взрыв, направленный вовнутрь, – после чего она превратится либо в нейтронную звезду, либо в черную дыру. Мы уже говорили, что это приведет к взрыву окружающих звездных оболочек, и перед наблюдателем этот взрыв предстанет в виде сверхновой II типа. Астрономы полагают, что разделительная линия, определяющая судьбу такой звезды, проходит на уровне примерно 3 M_⊙. Для нейтронной звезды сдавливание прекращается, когда остаток достигает плотности ядра – точки, в которой вырожденные электроны, соединившись с протонами в атомных ядрах углерода и кислорода, образуют нейтроны. После этого перед нами, по сути, возникает гигантское атомное ядро, состоящее исключительно из вырожденных нейтронов. Остаток звездного ядра приходит в это состояние после того, как коллапс сожмет его до размеров города – около 25 км в поперечнике. Итоговая плотность в 10¹⁴ г/см³ превышает плотность белого карлика в 100 миллионов раз. Чайная ложка вещества нейтронной звезды имела бы массу, эквивалентную массе Эвереста, – и если бы эту ложку уронили на поверхность Земли, ее содержимое прошло бы сквозь каменную толщу, как пуля сквозь воздух, а затем металось бы от места удара к другой стороне Земли и обратно, наподобие игрушечной катушки йо-йо.

В 1930-х годах, вскоре после открытия нейтронов, астрономы впервые выдвинули гипотезу о том, что взорвавшиеся остатки массивных звезд могут существовать как нейтронные звезды. Но только в 1960-х годах им удалось получить убедительные доказательства реального присутствия этих невероятных объектов в космосе. В 1967 году аспирантка Джоселин Белл (позже Белл Бернелл) и ее научный руководитель Энтони Хьюиш впервые заметили странности с радиосигналами, регистрируемыми в Маллардовской радиоастрономической обсерватории в Англии. Что-то в космических безднах вспыхивало и гасло в необычайно регулярном ритме. Последующие наблюдения, проведенные несколькими радиообсерваториями, выявили десятки мерцающих источников радиоизлучения по всей небесной сфере. Эти источники пульсировали с периодичностью от нескольких секунд до нескольких миллисекунд, и хотя изначально их в шутку назвали LGM (от little green men, «маленькие зеленые человечки»), позже они получили более почтенное наименование «пульсары», которое с тех пор за ними и закрепилось.

Астрономы уже знали о пульсирующих звездах, но период их пульсаций занимал от нескольких часов до нескольких дней и даже недель. Ни одна обычная звезда не смогла бы пульсировать с интервалом от секунды до миллисекунды: за несколько таких пульсаций ее просто разорвало бы на куски, причем не смог бы устоять даже белый карлик. Возможно, если бы он вращался, то мог бы испускать излучение по направлению к нам при каждом обороте своего остатка – но для объяснения феномена пульсара требовалось допустить вращение столь стремительное, что гравитация, характерная для белого карлика, не смогла бы удержать его от разрыва. Оставалась лишь модель нейтронной звезды, постулированная еще в 1930-х годах. Такая звезда, масса которой намного превышала массу Солнца, а объем был сравним с объемом сибирского озера Байкал, обладала бы достаточно сильной самогравитацией, чтобы противостоять своему безудержному вращению.

Раскрыть тайну пульсара можно, если немного схитрить и позволить полюсам интенсивного магнитного поля нейтронной звезды немного отклониться от оси ее вращения. Здесь, на Земле, пусть и в меньшей степени, наблюдается столь же асимметричное взаимное расположение соответствующих осей. В таком случае магнитные полюса описывают вокруг осей вращения круги (рис. 13.1). Открытые силовые линии магнитного поля на полюсах обеспечивают выброс электромагнитного излучения, которое проходит сквозь области Галактики подобно лучу маяка, и если Земля случайно оказывается на пути этого луча, то наши радиотелескопы улавливают регулярные пульсации излучения. В итоге астрономы объясняют пульсары как нейтронные звезды, у которых магнитные оси время от времени проходят через наш луч зрения. Поскольку эта модель работает как никакая другая, она получила широкое признание.

Большинство нейтронных звезд не проявляют феномена пульсара, поскольку лучи, испущенные ими с обоих полюсов, не проходят через наш луч зрения. Впрочем, некоторые из этих чрезвычайно малых объектов были обнаружены непосредственно в центрах остатков молодых сверхновых. Все еще неимоверно горячие после имплозии, приведшей к их появлению на свет, новорожденные нейтронные звезды обильно излучают в рентгеновском диапазоне. Остаток сверхновой Кассиопея А – отличный пример нейтронной звезды, которая не является пульсаром. Совсем недавно, в 2017 году, Кассиопея A и ее нейтронная звезда, которым, по нашим наблюдениям, всего 330 лет, были сфотографированы космической рентгеновской обсерваторией «Чандра» (см. chandra.harvard.edu/photo/2017/casa_life/).

Рис. 13.1. Схематический рисунок быстро вращающейся нейтронной звезды, испускающей электромагнитное излучение вдоль своей магнитной оси. Считается, что именно такая конфигурация, для которой характерны значительная плотность, сильная намагниченность и высокая энергия, порождает феномен пульсара. (Материалы любезно предоставлены Roy Smits, Wikipedia Commons.)

Подобно белым карликам, нейтронные звезды могут становиться очень «энергичными», когда находятся в тесной парной связи с другими звездами, более близкими к нормальным. Подобно тяготению белого карлика, мощная гравитация нейтронной звезды поглощает внешнюю атмосферу звезды-спутника. Только в данном случае риск намного выше, поскольку нейтронная звезда, в сравнении с белым карликом, обладает поверхностной гравитацией, которая больше в 300 000 раз. В итоге происходят взрывы такой силы, что они могут объяснить ряд наиболее колоссальных выбросов энергии, случившихся в космосе. Эти самые экстремальные из так называемых катаклизмических переменных излучают свои тревожные сигналы как в рентгеновском, так и в гамма-диапазоне.

Черные дыры

Общее определение черной дыры – это область в пространстве, из которой не может вырваться ничто, даже свет. Другими словами, чтобы выбраться из нее, пришлось бы двигаться быстрее скорости света. Считается, что такие скорости физически невозможны.

Черной дырой может стать любой материальный сгусток. Самое сложное – это сжать его настолько сильно, чтобы все его вещество уместилось в пределах горизонта событий черной дыры, где гравитационная энергия едва способна сдержать кинетическую энергию любого фотона. У невращающейся черной дыры горизонт событий соответствует гравитационному радиусу, или радиусу Шварцшильда (R_S), который можно выразить в виде формулы: R_S = (2 ∙ G ∙ M) / c²,

где M – масса сгустка, G – гравитационная постоянная, или постоянная Ньютона, а c – скорость света. Если бы вы захотели превратить Землю в черную дыру, вам пришлось бы сжимать ее до тех пор, пока она не поместилась бы в сфере, радиус которой равнялся бы девяти миллиметрам – это радиус небольшого шарика. Совершить нечто подобное вам не позволят прочные электрохимические связи, характерные для каменистых недр нашей планеты. Для Солнца радиус Шварцшильда – три километра. Но наша звезда никогда его не достигнет, поскольку максимальный предел, до которого она может сжаться, став при этом белым карликом, совпадает с размерами Земли, а на то, чтобы коллапс продолжился, у нее просто не хватит массы.

Черные дыры звездной массы

Бездействующие ядра звезд с массой от 3 до 30 M_⊙ могут сжаться еще сильнее, чем у белого карлика и нейтронной звезды, и превратиться в черные дыры. Так происходит потому, что вырожденные электроны в белом карлике и вырожденные нейтроны в нейтронной звезде не могут создать достаточное давление, способное противостоять сокрушительной гравитации этих более массивных ядер. Считается, что бездействующие ядра белого карлика и нейтронной звезды, миновав соответствующие им радиусы Шварцшильда (от 9 до 30 км), взрываются вовнутрь и исчезают внутри своих горизонтов событий. О том, что происходит внутри горизонта событий, можно только догадываться. Достигает ли материя, взорвавшаяся вовнутрь, гравитационной сингулярности, когда вся масса содержится в нулевом объеме? Это бессмысленное состояние подразумевало бы бесконечную плотность, которую большинство физиков открыто осуждают. Возможно, если мы допустим, что внутри горизонта событий сильно искривляется пространство-время, эту дилемму можно будет обсуждать. Физики говорят, что, несмотря на любые события, могущие происходить в этой «зоне полной неизвестности», у черной дыры все равно проявятся масса, заряд (если он будет) и угловой момент. В частности, именно первая характеристика из перечисленных позволяет астрономам с уверенностью делать предположения о присутствии в космосе черных дыр звездной массы.

Посмотрим, что покажет спектр звезды, которая некогда была нормальной. Если на спектральных линиях поглощения видны периодические доплеровские смещения, заметные в изменении длины волны, астрономы могут сделать вывод, что звезда входит в двойную систему наравне со своим невидимым спутником. И если предполагаемая динамическая масса этого спутника превышает 3 M_⊙, то перед нами, скорее всего, черная дыра звездной массы.

Присутствие черной дыры звездной массы можно установить и иначе – найти и отслеживать переменные источники рентгеновского и гамма-излучения. Если такой источник можно отождествить с видимой звездой, то она, скорее всего, находится в двойной системе и тесно взаимодействует с белым карликом, нейтронной звездой или черной дырой. Изменчивость и энергетические свойства излучения станут дополнительными подсказками для различения верного сценария среди этой вероятной триады. Орбитальная рентгеновская обсерватория RXTE, запущенная в 1996 году, особенно искусно отслеживала по всей небесной сфере шалости этих громогласных «крикунов» (см. раздел «Рекомендуемая литература и ресурсы»).

В Млечном Пути известно примерно двадцать кандидатов в черные дыры звездной массы, но вполне возможно, что в нашей Галактике их гораздо больше. Оценочные данные, основанные на общем количестве звезд в Млечном Пути и той их доле, которая обладает достаточной массой для образования черной дыры, позволяют предположить, что в диске, балдже и гало Галактики присутствует приблизительно 100 млн черных дыр звездной массы. Полный список кандидатов в черные дыры звездной массы, в черные дыры средней массы и в сверхмассивные черные дыры можно найти в «Энциклопедии черных дыр» (Black Hole Encyclopedia), составляемой под патронажем обсерватории МакДоналд (см. раздел «Рекомендуемая литература и ресурсы»).

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ – НЕ АЛЧНЫЕ БЕЗДНЫ

Одно из главных заблуждений, связанных с черными дырами, – это уверенность в том, что их гравитационное влияние распространяется гораздо дальше, чем у других форм материи. Расхожее представление о черной дыре, затягивающей в себя все, что окажется рядом, по большей части ошибочно. Например, если бы вы каким-то образом сумели заменить Солнце на черную дыру с аналогичной массой, то практически ничего бы не изменилось: все планеты, астероиды и кометы так и вращались бы по своим орбитам вокруг черной дыры. Конечно, в Солнечной системе было бы намного темнее, и жизнь на Земле и других планетах или спутниках неминуемо вернулась бы к внутренним источникам тепла и химической энергии. Но чтобы ощутить таинственные эффекты искривленного пространства-времени, потребовалось бы проникнуть достаточно далеко за пределы изначального радиуса Солнца. Тогда и только тогда мы бы стали свидетелями замедления времени, сокращения длины, растягивающего действия приливных сил и сильного искривления света, предсказанных Эйнштейном.

Черные дыры средней массы

Астрономы потратили десятилетия, пытаясь найти черные дыры, масса которых была бы больше, чем у остатков звезд, и меньше, чем у сверхмассивных черных дыр, обнаруженных в ядрах гигантских галактик. По массе такие объекты были бы сопоставимы с сотнями и даже многими тысячами солнц. Успех пришел совсем недавно, и пока в «Энциклопедии черных дыр» перечислены только шесть кандидатов. Три из них находятся в центрах шаровых скоплений, а остальные – в центрах маломассивных галактик или в дисках других галактик, более массивных. Недавно международная команда астрономов выдвинула еще несколько десятков кандидатов в черные дыры средней массы. Выявить присутствие таких черных дыр по отношению к их галактикам-хозяйкам важно, поскольку это поможет астрофизикам определить, каким образом они образовались: как некие «семена», к которым позже приросли ближайшие черные дыры звездной массы, или как итог одного большого коллапса плотного первозданного облака?

Сверхмассивные черные дыры

Наилучшие доказательства существования черных дыр можно найти в центрах крупных галактик. Спектроскопия высокого разрешения позволила нам заглянуть в самые потаенные галактические уголки и получить данные о сверхмассивных черных дырах, содержащих от нескольких миллионов до нескольких миллиардов масс Солнца. Спектроскопия показывает звезды, которые чрезвычайно быстро движутся по своим орбитам, а это возможно только в том случае, если в пределах этих орбит располагается огромная гравитирующая масса. Высокая пространственная разрешающая способность космического телескопа «Хаббл» позволила «засечь» звезды, удаленные от центров галактик всего на несколько десятков световых лет. Предполагаемые массы этих центров, с которыми часто сочетается ассоциируемая ядерная активность – это сильный довод в защиту идеи, согласно которой в ядрах большинства крупных галактик находятся сверхмассивные черные дыры.

Кроме того, астрономы выявили важную взаимосвязь между массами черных дыр, находящихся в центрах галактик, и массами окружающих их галактических балджей. Соотношение массы черной дыры к балджу составляет примерно 1:1000. Эта стойкая взаимосвязь подразумевает, что черные дыры и галактические балджи, вероятно, эволюционировали вместе. Однако подробности их совместной эволюции остаются неясными.

Но самые убедительные свидетельства существования сверхмассивных черных дыр мы найдем в центре Млечного Пути, поскольку он в 90 с лишним раз ближе, чем центр любой другой гигантской галактики, и его можно изучить гораздо более подробно. При помощи огромных телескопов «Кек», расположенных на Гавайях – на вершине горы Мауна-Кеа, – Группа галактического центра Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе под руководством Андреа Гез более 10 лет отслеживала самые далекие звезды Галактики. В частности, звезда S0-2 находится на расстоянии 0,0019 светового года (120 а. е.) от центра Млечного Пути. Эта протяженность эквивалентна радиусам орбит некоторых транснептуновых объектов в самых отдаленных уголках нашей Солнечной системы. И если учесть такое расстояние, то стремительная скорость S0-2, составляющая 2,5 % от скорости света, позволяет астрономам предположить, что в этой области находится сверхмассивная черная дыра массой в 4 млн M_⊙. (В 2020 году Андреа Гез и Райнхард Генцель получили за это достижение Нобелевскую премию по физике.)

Совсем недавно группа Калифорнийского университета в Лос– Анджелесе построила кинематическую модель орбитального движения звезды S0-2 в трехмерном пространстве. Эта дополнительная информация показала, что траектория движения S0-2 согласуется не с законом обратных квадратов Ньютона, а с теорией относительности Эйнштейна. Эйнштейновское искривление пространства-времени в присутствии столь концентрированного вещества по-прежнему дает нам наилучшую модель, благодаря которой мы понимаем, как ведут себя материя и свет вблизи черных дыр.

В 2019 году в мировой прессе широко освещались еще более важные новости, касающиеся сверхмассивных черных дыр. 10 апреля команда проекта «Телескоп горизонта событий» объявила, что им удалось получить изображение сверхмассивной черной дыры в центре гигантской эллиптической галактики М87. Объединив радиосигналы из восьми обсерваторий, расположенных в разных точках планеты, команда смогла создать снимок с достаточно мелкими деталями, чтобы можно было рассмотреть черную дыру (см. eventhorizontelescope.org). Световое кольцо, заметное на снимке, астрономы интерпретируют как гравитационно линзированное излучение, исходящее от вещества, расположенного сразу за горизонтом событий черной дыры. Команда нацелила свои радиотелескопы и на гораздо более близкую сверхмассивную черную дыру в Млечном Пути. Однако на момент написания этого текста они еще не сообщили о каких-либо результатах.

Гравитационное излучение

За время работы над этой книгой область гравитационно-волновой астрономии превратилась из «погони за химерами» в признанную науку огромной важности. Гравитационное излучение было предсказано Альбертом Эйнштейном в 1916 году как основной результат его теории относительности, в которой ньютоновские силы заменяются искривлением пространства-времени в присутствии материи. Эта же теория предсказывала, что любое асимметричное возмущение в расположении гравитирующей материи вызовет серию распространяющейся наружу «ряби» в ткани пространства-времени – гравитационную волну. Экспериментальные поиски гравитационного излучения начались в конце 1960-х годов, но только в конце 1980-х годов мы начали создавать достаточно точные приборы. Необходимая точность невероятна, поскольку воздействие проходящей гравитационной волны от удаленного источника искривит ткань пространства-времени на Земле на уровнях, меньших 1 % диаметра протона!

14 сентября 2015 года в двух отделениях Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), расположенных в Хэнфорде (штат Вашингтон) и Ливингстоне (штат Луизиана), одновременно зафиксировали гравитационно-волновой «писк», длившийся менее секунды, с резко возросшей частотой. Источник этого сигнала, согласно самым лучшим моделям, был определен как пара закручивающихся по спирали и сливающихся черных дыр. Их массы были эквивалентны 36 и 29 M_⊙, что помещает их в верхнюю категорию черных дыр звездной массы. За это удивительное достижение, к которому команда LIGO готовилась 25 лет, в 2017 году была присуждена Нобелевская премия по физике.

17 августа 2017 года две обсерватории LIGO и недавно введенная в эксплуатацию обсерватория VIRGO в Италии обнаружили более слабое, но гораздо более продолжительное гравитационное излучение от двух сливающихся нейтронных звезд. Третья гравитационно-волновая обсерватория позволила астрономам провести триангуляцию области неба, в которой находился источник, чтобы проводить последующие телескопические наблюдения по всему электромагнитному спектру. Оказалось, что в эллиптической галактике, отдаленной от нас на 130 млн световых лет, произошло интенсивное слияние. Это привело к образованию килоновой, которую можно было отслеживать в обсерваториях с помощью гамма-телескопов и рентгеновских телескопов. Гигантский взрыв высвободил огромное облако нейтронов, которые затем вновь собрались в «бродячий цирк» тяжелых атомных ядер. Теперь некоторые астрофизики считают, что золото в наших ювелирных изделиях и уран в наших реакторах родились из подобных столкновений нейтронных звезд.

С первого открытия, произошедшего в 2015 году, мы обнаружили гравитационно-волновые сигналы от более чем двадцати случаев слияния. Тем временем по всему миру в режиме реального времени создаются новые инструменты. И именно сейчас зарождается гравитационно-волновая астрономия, которая обещает найти гораздо больше остатков слившихся и взорвавшихся компактных звезд – это белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, – а также охарактеризовать коллапс ядра сверхновых, понять процессы нуклеосинтеза тяжелых элементов, отследить слияния сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик и, возможно, когда-нибудь выявить сам Большой взрыв.

Темная материя

Вероятность существования темной материи в галактиках и в более обширном космосе становится все более очевидной. Исторически сложилось так, что первое научно обоснованное предположение о невидимой форме материи сделал в 1930-х годах швейцарский астроном Фриц Цвикки, славившийся своей вспыльчивостью. С помощью представления об этой материи, которую мы сейчас именуем «темной», Цвикки, сотрудник Калифорнийского технологического института, объяснял высокие скорости движения галактик в изобилующих ими галактических скоплениях. Целый рой этих галактик обладал такой скоростью, ограничить которую гравитация видимых звезд, газа и пыли внутри них просто не могла, – и, по всей видимости, в скоплениях присутствовало что-то еще. Цвикки назвал это «скрытой массой», но на самом деле она не скрывается, а скорее присутствует в некой странно «темной» форме.

В 1970-х годах Вера Рубин и Кент Форд из Института Карнеги обнаружили, что звезды в отдельных спиральных галактиках движутся по орбите вокруг соответствующих галактических центров с такой скоростью, что никакая видимая материя, присутствующая в этих галактиках, была не в силах удержать их на местах. Эти исследователи также предположили, что некая невидимая субстанция предоставляет необходимый гравитационный «клей». Их идея получила дальнейшую поддержку, когда радиоастрономы вычислили орбиты газовых облаков в спиральных галактиках и когда оказалось, что радиусы этих орбит выходят далеко за пределы звезд, а кривые вращения, вопреки ожидаемому радиальному падению скоростей, оставались устойчиво ровными (рис. 13.2).

Для меня решающим аргументом в пользу того, что темная материя пронизывает и галактики, и межгалактическое пространство, стали снимки «Хаббла», которые случайно оказались на луче зрения, направленном к более отдаленным галактикам. На них слабо различимы фоновые объекты, которые смешиваются с галактиками на переднем плане. Наблюдаемое искривление этих объектов можно в полной мере объяснить эффектами гравитационного линзирования фоновых галактик, осуществленного темной материей того скопления, которое находится на переднем плане. Анализ этих эффектов выявил присутствие гравитирующей темной материи как внутри отдельных галактик в тех или иных скоплениях, так и в пространстве, разделившем эти галактики. Астрономы пришли к выводу, что темная материя преобладает над всеми другими формами видимой материи в 8,5 раза. Это открытие не может не тревожить, поскольку сейчас доля темной материи, которую мы можем обнаружить в космической бездне, не превышает 15 %. Единственный выход – найти для этой материи, обладающей тяготением, но невидимой, приемлемых кандидатов.

Рис. 13.2. Кривые вращения ближайших спиральных галактик в разбивке по типам показывают, что орбитальные скорости остаются практически неизменными, несмотря на увеличение радиуса. Такое поведение противоречит ожиданиям, связанным с радиальным ослаблением звездного света в этих галактиках. Вместо этого ученые предполагают, что с увеличением радиуса суммарные массы этих галактик продолжают линейно расти. (По источнику: D. A. Popolo, со ссылкой на источник: A. Bosma, “Nonbaryonic Dark Matter in Cosmology”, Int. J. Mod. Phys. D23 [2014] 1430005 arXiv:1305.0456 [astro-ph. CO].)

Обычная темная материя

Объекты, состоящие из «обычных» протонов, нейтронов и электронов, при определенных обстоятельствах могут быть темными. Например, одинокая планета или спутник, удаленные от какой– либо звезды, не будут ни отражать звездный свет в сколь-либо великой мере, ни испускать заметное излучение. Отдельные черные дыры, холодные нейтронные звезды и белые карлики могут просто не попасть на наши детекторы. Несомненно, некоторые из этих межзвездных странников наполняют и наш Млечный Путь, и другие галактики. Ученые даже назвали такие объекты массивными астрофизическими компактными объектами гало (англ. massive astrophysical compact halo object, MACHO). Вопрос только в том, хватит ли их, чтобы объяснить долю в 85 %, которая приходится на невидимую, но гравитирующую материю. До сих пор астрономы, ведущие ее поиски, стремятся обнаружить объекты размером с планету или спутник, которые не принадлежат ни к протопланетным дискам, ни к зрелым солнечным системам, которых в нашей родной Галактике очень много. Даже если бы все звезды во всех галактиках содержали планетные системы и половина из этих систем скрылась во тьме, количество пропавшей материи составило бы лишь небольшой процент от необходимой величины. Такой же недостаток характерен и для предложенных оценок других MACHO.

Еще одно ограничение для обычной темной материи связано с процессом нуклеосинтеза, происходившим в течение первых нескольких минут после Большого взрыва. За это время нейтроны и протоны сливались в атомные ядра гелия-4, а также, в ультрамалых количествах, в атомные ядра дейтерия, гелия-3 и лития. Одиночные нейтроны распадаются обратно на протоны и электроны примерно за пять минут, и поэтому весь активный нуклеосинтез должен был произойти до достижения этого временного предела. Конечная продолжительность, в свою очередь, ограничивала количество ядерного вещества, которое можно было выделить из хаоса. Чтобы сопоставить относительные количества водорода, гелия-4 и других изотопов, наблюдающихся в современной Вселенной, астрофизики предполагают, что плотность всей этой обычной материи составляет всего 2–5 % от уровня, необходимого для того, чтобы ткань пространства-времени стала «плоской». Топологически плоский космос – это одно из главных открытий, сделанное в результате недавнего картирования космического микроволнового фона (см. гл. 9). И чтобы его объяснить, нам нужно гораздо больше темной материи и непомерная доля темной энергии (о ней чуть ниже).

Горячая темная материя

Необычная темная материя может быть трех видов: горячей, теплой и холодной. Как нам известно, субатомные частицы, называемые нейтрино, существуют в огромном множестве и представляют собой форму горячей темной материи из-за их крошечных масс и, соответственно, релятивистских скоростей. Такие экстремальные скорости позволяют им не поддаваться притяжению отдельных галактик и, возможно, даже галактических скоплений. На гораздо бо́льших масштабах нейтрино могли бы играть гравитирующую роль, но предполагаемой распространенности темной материи на галактические масштабы это не объясняет. Некоторые физики говорят о «стерильных нейтрино», которые взаимодействуют с обычной материей еще меньше, чем нейтрино, обнаруженные на сегодняшний день. Эти частицы могли бы иметь гораздо бо́льшую массу и, соответственно, меньшие скорости – достаточно низкие, чтобы подпасть под притяжение отдельных галактик. Сейчас их ищут многие, а наряду с этим ведутся поиски других слабо взаимодействующих массивных частиц – вимпов. Стратегия, получившая благосклонность и поддержку, заключается в том, чтобы разместить чувствительные детекторы частиц глубоко под землей и тем самым уменьшить назойливое фоновое влияние космических лучей. Но несмотря на десятилетия усилий, ни один эксперимент пока не привел к результату, который можно было бы повторить.

Холодная темная материя

Космологов манит идея о холодных и медленных вимпах, поскольку их наличие может объяснить очень многое: то, почему космический микроволновый фон устроен именно так, а не иначе; то, почему правы те, кто полагает, что в галактиках и галактических скоплениях присутствует темная материя; то, как именно устроены галактики в больших масштабах и то, как проходит процесс их формирования, при котором обычная материя непрерывно стремится вдоль нитей к ранее возникшим сгусткам темной материи (см. гл. 10). В число частиц холодной темной материи, существование которых пока лишь предполагается, входят более тяжелые аналоги «бродячего цирка» частиц, о котором нам уже известно. Наличие таких «теневых» частиц предсказано суперсимметричными теориями элементарной материи. Селектрино, нейтралино, фотино и гравитино – это лишь некоторые из предложенных суперсимметричных «тяжеловесов». Увы, нашим самым мощным ускорителям частиц и самым чувствительным детекторам еще предстоит совершить находки, способные подтвердить присутствие таких объектов в обозримом космосе.