Невидимая материя: «подсказка» Fermi

Невидимая материя: «подсказка» Fermi

Загадочная «темная материя» продолжает интриговать научное сообщество. Хоть многие его представители по-прежнему сомневаются в существовании этого таинственного компонента мироздания, однако доказательства его реальности продолжают поступать по мере прогресса техники наблюдений и вычислений. Последний «сюрприз» в этом отношении преподнес орбитальный телескоп Fermi — самый совершенный астрономический инструмент, предназначенный для регистрации высокоэнергетического излучения в гамма-диапазоне электромагнитного спектра. И даже не столько телескоп, сколько группа ученых, обрабатывающая полученные им результаты.

Говоря о «темной материи», не следует отождествлять ее со «скрытой массой» — обычным веществом, состоящим из уже известных науке элементарных частиц (барионов), излучение которого мы по какой-то причине не можем зарегистрировать. К этой категории, составляющей значительную часть массы Вселенной, относятся коричневые карлики (звезды, масса которых недостаточна для поддержания энерговыделения за счет термоядерного синтеза), планетоподобные тела, наконец, нейтронные звезды и черные дыры — сверхплотные объекты, которые никак себя не проявляют, не имея в окрестностях достаточного количества взаимодействующего с ними вещества. Кроме всего этого разнообразия, существует также малоизученная трудноуловимая частица нейтрино с ненулевой массой покоя, которая не относится барионам. Лишь немногим более четверти века назад ученые впервые сумели ее достоверно зарегистрировать. Бесчисленные множества нейтрино пронизывают пространство во всех направлениях, при этом проникнуть сквозь толщу земного шара для них ненамного сложнее, чем сквозь космический вакуум, и столь же легко они «обходят» всевозможные измерительные приборы.Тем не менее, массу всех перечисленных компонентов Вселенной можно примерно оценить, зная параметры ее «видимой части».

В 1937 г. швейцарский астроном ФрицЦвикки (Fritz Zwicky) опубликовал результаты измерения скоростей галактик в скоплении, видимом в созвездии Волос Вероники. Эти результаты оказались необъяснимыми в рамках тогдашних представлений. «Наблюдаемой» массы скопления было явно недостаточно для того, чтобы взаимное гравитационное притяжение его членов удержало их вместе — двигаясь со столь высокими скоростями, они давно должны были рассеяться в пространстве. Таким образом, в скоплении должна была присутствовать какая-то огромная неучтенная масса.

Так возникли первые предположения о наличии совершенно непонятного компонента мироздания — «темной материи», абсолютно не излучающей в электромагнитном диапазоне и влияющей на «обычное» вещество исключительно посредством гравитации. Чем чаще астрономы сталкивались с ее проявлениями, тем выше оказывались оценки ее «вклада» в общую массу Вселенной. Согласно современным данным, масса «темной материи» в несколько раз больше всех потенциально регистрируемых объектов, состоящих из материи барионной.

Параллельно «в игру» вступили физики, попытавшиеся теоретически предсказать, из чего эта загадочная материя состоит и каковы ее свойства. В некоторых моделях допускалась возможность ее превращения в более «привычные» частицы, присутствие которых уже можно попробовать уловить с помощью существующих детекторов. Интересно, что другие ученые такое превращение категорически отрицали, основываясь, в общем, на тех же данных.

Понятно, что, не прибегая к непосредственным наблюдениям, разобраться в этом споре невозможно. Методика таких наблюдений основана на очевидных предпосылках: всевозможные процессы связанные с частицами темной материи, более вероятны в местах ее повышенной концентрации, которая, в частности, должна иметь место вблизи массивных сгущений «обычного» вещества (с ним, напомним, темная материя взаимодействует посредством сил тяготения). Такими местами, среди прочего, являются центры галактик. И вот при расшифровке информации, переданной космическим аппаратом WMAP, ученые действительно обнаружили избыток микроволнового излучения в направлении центра Млечного Пути. Этот эффект получил неофициальное название «дымки WMAP».

Наибольшего напряжения страсти достигли в середине 2008 г., когда стало известно об избытке позитронов высокой энергии в окрестностях Солнца, обнаруженных в ходе международного научного эксперимента PAMELA на борту российского спутника «Ресурс-ДК». Они вполне могли рождаться при самопроизвольном распаде или взаимной аннигиляции экзотических частиц, из которых предположительно состоит темная материя.

«Сомнительные» результаты были опубликованы не сразу — участники эксперимента собирались представить их вместе с убедительными объяснениями. Но даже после публикации однозначной трактовки они не получили. Многие ученые вообще полагают, что речь идет о неучтенных систематических ошибках в работе аппаратуры PAMELA. А между тем научное сообщество замерло в ожидании данных от обсерватории Fermi, выведенной на околоземную орбиту 11 июня 2008 г.

По правилам рабочей группы телескопа, полученные данные могут появляться в открытой печати лишь спустя год после их расшифровки (чтобы дать возможность«своим»теоретикам снять с них главные «научные сливки»). Год истек в начале осени, но одна группа теоретиков решила не дожидаться положенного срока и нарушила молчание двумя месяцами ранее. Если верить их статье, Fermi действительно «рассмотрел» избыток высокоэнергетического излучения в направлении на галактический центр. Более того, предварительный анализ показал, что это излучение может возникать с участием именно тех частиц, наличие которых предполагалось и в эксперименте PAMELA.

Когда данные Fermi наконец-то были опубликованы, ученые повторили свой анализ и смогли уже с большей уверенностью заявить: помимо «дымки WMAP», имеется также «дымка Fermi», существование которой неплохо объясняется гипотезой распада или аннигиляции темной материи. На эту работу, проведенную под руководством Грегори Доблера из Гарвардско-Смитсонианского центра астрофизики (Gregory Dobler, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), уже не стыдно ссылаться даже самым серьезным специалистам, хотя ее результаты не слишком отличаются от выводов прежней работы той же группы.

Есть, правда, одна важная оговорка. Даже если аномальное количество электронов и позитронов высокихэнер-гий в районе центра Млечного Пути существует (а сомнений в этом уже почти не осталось), их происхождение из частиц темной материи еще нужно доказывать. В принципе, их также могут порождать, например, ударные волны от вспышек сверхновых или все те же нейтронные звезды, остающиеся на месте таких вспышек. Все это в изобилии присутствует в центре нашей Галактики по той причине, что там имеется большая концентрация гигантских звезд, сравнительно короткий жизненный цикл которых завершается взрывами сверхновых. И пусть альтернативные модели приходится «притягивать за уши» — для многих это все-таки более приемлемое объяснение, чем какая-то там «темная материя».

К лагерю скептиков относится и профессор Стэнфордского Университета Эллиот Блум (Elliot Bloom, Stanford University)—один из немногих «чистых» теоретиков, входящих в команду эксперимента Fermi. В душе этому человеку наверняка приходится бороться с самим собой: полжизни он посвятил именно перспективам косвенного объяснения природы темной материи, но в последнее время ему пришлось стать суровым критиком выводов чрезмерно ретивых сторонников ее существования. Именно ему чаще всего выпадает комментировать работы вроде статьи Доблера и убеждать коллег и журналистов, что делать из этих выводов сенсации как минимум преждевременно.

Однако, по иронии судьбы, именно с работы Блума, представленной от лица рабочей группы в виде постера на симпозиуме Fermi-2009, проходившем со 2 по 5 ноября в Вашингтоне, может начаться очередной эпизод в истории с наблюдательным обнаружением темной материи. Блум справедливо рассудил: чтобы исключить альтернативу с ускорением электронов на ударных волнах, нужно смотреть туда, где сверхновые не взрываются. В идеале — туда, где звезд нет вообще, а темная материя, по идее, должна присутствовать. Если верить астрономам, такие «беззвездные» облака темной материи действительно могут окружать нашу Галактику: теория предсказывает, что вблизи нее должно находиться как минимум на порядок больше карликовых галактик, чем наблюдается в действительности.

Чтобы найти то, что не освещают звезды, Блуму и его коллегам пришлось перелопатить весь архив данных Fermi в поисках протяженных объектов, гамма-излучение которых соответствует модели распада или аннигиляции частиц темной материи. При этом такие объекты не должны совпадать с известными источниками, а поток фотонов от них не должен меняться со временем.

После тщательных поисков были отобраны 54 протяженных источника, выделявшихся над фоном как минимум на четыре стандартных отклонения. Последовательно рассмотрев каждый из них, ученые отбросили 50 потенциальных «беззвездных галактик» как не соответствующие выбранным критериям. Остались четыре, которые критериям удовлетворяют. Над фоном все они выделяются даже не на четыре, а минимум на пять стандартных отклонений. Тем не менее, Блум вновь надел маску «мистера Нет» и заключил, что новые «темные карлики» в данных Fermi за первые десять месяцев не обнаружены. Главный аргумент, приводимый ученым — несоответствие спектров этих источников выбранным теоретическим моделям распада темной материи.

Правда, в работе (видимо, уже по традиции) опять-таки сохраняется определенная интрига. Во-первых, собственно спектры в ней как раз отсутствуют — равно как и координаты «темных галактик» или какая бы то ни было точная информация о них. Во-вторых, Блум на самом деле не говорит, что темных галактик нет — он утверждает лишь, что «в данных Fermi за первые десять месяцев они не обнаружены». Другим ученым проверить это утверждение, мягко скажем, затруднительно: второго подобного инструмента для наблюдений в гамма-диапазоне в их распоряжении не имеется. А простому жителю планеты Земля, интересующемуся наукой, остается только ждать сообщений о новых открытиях, каждое из которых демонстрирует только то, как мало мы еще знаем о Вселенной…


Владимир Манько, журнал «Вселенная, пространство, время», Киев

Артем Тунцов, научный сотрудник Государственного астрономического института им. Штернберга, МГУ, Москва

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: