Чтение онлайн

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 больших 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 большую 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.