Патриция Буркат освещает темную материю

Будучи специалистом в физике частиц, я изучаю элементарные частицы и их взаимодействия на самом фундаментальном уровне. В течение большей части моей исследовательской карьеры я использовала ускорители, такие, как ускоритель электронов Стэнфордского Университета, неподалёку отсюда, для того, чтобы изучать явления мельчайшего масштаба. Однако недавно я заинтересовалась вселенной, явлениями крупнейшего масштаба. Дело в том, что, как я объясню позже, вопросы явлений мельчайшего и крупнейшего масштабов весьма взаимосвязаны. Итак, я вам расскажу о том, каково у нас, в 21 веке, представление о вселенной и её составных частях, и о главных вопросах физической науки, по крайней мере, о некоторых главных вопросах.

Итак, недавно было обнаружено, что во вселенной обычное вещество, а под обычным веществом я подразумеваю, скажем, вас, себя, планеты, звезды, галактики, всё обычное вещество в сумме составляет лишь несколько процентов содержимого вселенной. Почти четверть, или примерно четверть содержимого вселенной - это нечто невидимое. Под «невидимым» подразумевается то, что не поглощает электромагнитное излучение. Оно также не испускает электромагнитное излучение. И не отражает. Оно не взаимодействует с электромагнитным излучением, а ведь именно это излучение нам нужно для обнаружения вещей. Оно вообще не взаимодействует. Откуда же мы знаем, что оно есть? Мы знаем о его присутствии по гравитационным эффектам. Вообще-то, темная материя вызывает основные гравитационные эффекты большого масштаба во вселенной, и я расскажу о том, какими для этого доводами мы располагаем.

Что же составляет остальную часть этого «пирога»? Остальная часть – это весьма загадочная субстанция, называемая тёмной энергией. О ней я расскажу попозже. А сейчас давайте рассмотрим доказательства существования темной материи. В этих галактиках, особенно в спиральных галактиках, как эта, звездная масса по большей части сосредоточена в центре галактики. Огромная масса совокупности этих звёзд обеспечивает круговые орбиты звёзд внутри галактики. Таким образом, звёзды вращаются по кругу, похожему на этот. Легко представить, – а если даже вы знаете физику, это нужно понимать интуитивно, – что звезды находящиеся ближе к центру вращаются с большей скоростью, чем те, что отстоят дальше.

Итак, можно ожидать, что измерение орбитальной скорости вращения этих звезд даст более медленное вращение по краям, чем в центре. Другими словами, если мы измерим скорость, как функцию расстояния – график я показываю в первый и последний раз – то разумно было бы ожидать, что он пойдёт вниз с увеличением расстояния от центра галактики. Но когда эти измерения были сделаны, то, вместо этого, было обнаружено, что скорость примерно постоянна, как функция расстояния,. Если она постоянна, то это означает, что звёзды в этом месте испытывают гравитационное воздействие невидимого нам вещества. В самом деле, эта галактика и все остальные галактики, по всей видимости, заключены в облако невидимой материи. И это облако материи имеет более сферическую форму, чем сама галактика. Кроме того, оно продолжается далеко за пределы галактики. Итак, мы видим галактику и фиксируемся на этом, однако на самом деле тут облако темной материи, которое оказывает основное влияние на структуру и динамику галактики.

Галактики сами по себе не разбросаны случайно в космосе, они имеют тенденцию скапливаться в группы. Вот пример одного очень известного скопления, Кома (скопление Волосы Вероники) Это скопление состоит из тысяч галактик. Здесь они видны как белые размытые эллипсы. Если на скопление галактик посмотреть сегодня и через десятилетие – будет выглядеть одинаково. Но на самом деле эти галактики движутся с очень большой скоростью. Они вращаются в яме гравитационного потенциала скопления. Итак, все эти галактики двигаются. Мы можем измерить скорости этих галактик, скорости их вращения, и рассчитать, какая масса сосредоточенна в скоплении.

И снова выясняется, что там находится намного большая масса, чем та, которой могут обладать видимые нам галактики. Или, взглянув на другие области электромагнитного спектра, мы видим, что внутри этого скопления также содержится много газа. Но он также не даст достаточного вклада, чтобы объяснить такую массу. Есть основания предполагать, что на самом деле там раз в десять больше массы в форме невидимой или тёмной материи, чем в виде обычной материи. Было бы хорошо видеть тёмную материю чуть более напрямую. Я поместила здесь это большое голубое пятно, для того чтобы напоминать вам о том, что там нечто есть. Можем ли мы увидеть это более непосредственно? Да.

Позвольте мне разъяснить, как это сделать. Итак, здесь находится наблюдатель, Это может быть человеческий глаз, или телескоп. Представьте, что вот здесь во вселенной находится галактика. Как мы можем увидеть эту галактику? Луч свет выходит из этой галактики и идёт сквозь вселенную в течение миллиардов лет до того, как он попадёт в телескоп или в ваш глаз. Так вот, как же мы определяем месторасположение галактики? Мы выводим его по направлению распространения луча, по тому, как он попадает в наш глаз, правильно? Мы полагаем, что если луч света проходит вот этот путь, то галактика должна быть там. Теперь представим себе, что в центре я размещаю скопление галактик, при этом мы помним о тёмной материи. Так вот, если мы рассмотрим другой луч света, идущий вот так, то тогда мы должны учесть то, что предсказывал Эйнштейн, в своей общей теории относительности. А именно, что гравитационное поле, ввиду массы, будет отклонять не только траектории частиц, но также будет отклонять и свет.

Таким образом, этот луч света будет идти, скорее, не по прямой, а значительно искривившись, прежде, чем попадаёт в наш глаз. Где же наблюдатель увидит эту галактику? Можете смело отвечать. Сверху, правильно! Мы можем провести экстраполяцию назад и утверждать, что галактика находится сверху. Есть ли какой-либо другой луч света, попадающий в глаз наблюдателя из той же самой галактики? Да, отлично. Я вижу кто-то указывает вот так вниз. Действительно, один из лучей может пойти вниз, затем изогнуться вверх по направлению к глазу наблюдателя, и наблюдатель увидит луч света вот здесь.

Ну а теперь примем во внимание то факт, что мы живем в трехмерной вселенной, в трехмерном пространстве. Существуют ли еще какие-то лучи света, которые могут попасть в этот же глаз? Да! Эти лучи будут лежать на … ну, смелее! .. да, конечно на конусе. Итак, все лучи света, лежащие на конусе, все они будут искривлены скоплением и попадут в глаз наблюдателя. Если конус световых лучей попадет в мой глаз, то – что я увижу? Окружность, кольцо. Оно называется кольцом Эйнштейна, так как Эйнштейн его предсказал. Итак, это кольцо будет идеальным, если и источник, и дефлектор, и глаз, как в этом случае, лежат на абсолютно прямой линии. Если же они слегка сдвинуты, то мы увидим другое изображение.

Так вот, вы можете поэкспериментировать сегодня, на вечеринке после заседания, и выяснить, какое должно быть изображение. Дело в том, что такой же эффект может быть получен с помощью линзы, сконструированной в нужной форме. Мы это называем гравитационном линзированием. Итак, вот – ваш инструмент. (Смех). Но не смотрите на верхнюю часть. Я прошу вас сконцентрироваться на основании ножки. Честно говоря, когда у нас дома разбивается бокал, я всегда сохраняю основание, отношу в мастерскую, там мы его выравниваем, и у меня появляется гравитационная линзочка. Итак, у неё нужная форма для фокусировки. Следующий шаг вашего эксперимента – берём салфетку. А я возьму листок миллиметровки. Я же физик. (Смех) Итак, берём салфетку. Посередине рисуем картинку галактики. Затем кладём линзу поверх этой галактики, и мы тут увидим кольцо. Это –кольцо Эйнштейна. Сдвиньте основание немного в сторону, и кольцо разделится на дуги. Линзу можно положить поверх любого изображения. На миллиметровой бумаге видно как искажаются все линии миллиметровки. Замечу снова, это достаточно точная модель того, что происходит при гравитационном линзировании.

А теперь вопрос, видим ли мы такую картину в небе? Видим ли мы дуги в небе, когда мы смотрим на скопление галактик? Ответ: Да. Итак, вот – изображение полученное космическим телескопом Хаббл. Большинство изображений, что вы видели раньше, получены с помощью космического телескопа Хаббл. Итак, во-первых, эти золотистые галактики - это галактики в скоплении. Это – те самые галактики, которые окружены океаном темной материи, которая вызывает искривление света и в результате приводит к оптическим иллюзиям, практически к миражам галактик, находящихся позади. Поэтому, видимые здесь полоски, все эти полоски, на самом деле являются искаженными изображениями галактик, находящихся намного дальше.

Что можно сделать дальше? Основываясь на величине искажений, которые мы видим на этих картинках, мы можем вычислить количество массы которым должно обладать данное скопление. Это количество массы огромно. Вы также можете оценить на глаз, глядя на изображение, что эти дуги не центрированы на отдельных галактиках; они центрированы на какой-то более растянутой структуре. Это и есть тёмная материя, внутри которой находится скопление. Вот – максимум того, как невооруженным глазом можно увидеть, или, по крайней мере, ощутить влияние тёмной материи.

Итак, быстренько повторим, чтобы убедиться, что мы всё поняли. Значит, какими доводами мы располагаем, чтобы утверждать, что четверть вселенной состоит из тёмной материи, этой штуки с гравитационным притяжением? Скорости вращения звёзд внутри галактик слишком велики; значит, они должны быть заключены в тёмную материю. Скорости вращения галактик внутри скоплений слишком велики; значит – они должны быть заключены в тёмную материю. А также, наблюдается эффект гравитационного линзирования, тот самый эффект искажения, который снова говорит о том, что скопления заключены в тёмную материю.

Итак, давайте теперь обратимся к тёмной энергии. Чтобы понять, на чём основано доказательство существования тёмной энергии, необходимо обсудить одну вещь, которую упомянул на предыдущем заседании Стивен Хокинг. А именно – тот факт, что пространство само расширяется. Давайте представим себе участок нашей бесконечной вселенной, – я здесь поместила четыре спиральные галактики, – а также представим себе, что здесь серия измерительных рулеток, то есть, каждая линия на рисунке соответствует одной рулетке – горизонтальной или вертикальной – для измерения месторасположения предметов. Если бы это можно было сделать, то выяснилось бы, что с каждым днем, с каждым годом, с каждым миллиардом лет, расстояние между галактиками становится больше. И это не потому, что галактики отодвигаются друг от друга в пространстве; совсем не обязательно двигаться внутри пространства. Они отодвигаются друг от друга оттого, что само пространство становится больше. Вот что означает расширение вселенной или пространства. Итак, они отодвигаются дальше друг от друга.

Так вот, как уже заметил Стивен Хокинг, после Большого взрыва пространство расширялось с очень большой скоростью. Но, поскольку притягивающаяся посредством гравитации материя заключена внутри пространства, это приводит к замедлению расширения пространства. Итак, расширение замедляется со временем. В течение прошлого века учёные спорили о том, будет ли расширение пространства продолжаться бесконечно, точнее, будет ли оно замедляться, замедляться, но продолжаться бесконечно; либо замедлится и остановится, то есть асимптотически остановится, либо же замедлится, остановится, и повернёт вспять, то есть начнет сжиматься. Итак, примерно десять лет назад две группы физиков, астрономов, решили измерить скорость, с которой расширение пространства замедляется. Насколько медленнее оно расширяется сегодня, по сравнению, скажем, с парой миллиардов лет назад?

Эти эксперименты привели к поразительному ответу: пространство расширяется сегодня со скоростью большей, чем несколько миллиардов лет назад. Значит, расширение на самом деле ускоряется. Это был совершенно неожиданный результат. Никакого убедительного теоретического аргумента в пользу этого нет. Никто заранее не предсказывал что, это должно быть именно так. Открытие оказалось противоположно ожиданиям. Значит, для объяснения этого результата нужно что-то ещё. Так вот, оказывается, что можно математически добавить переменную, в качестве некоей энергии. Но этот тип энергии совершенно отличается от всего, что мы видели до сих пор. Мы называем его тёмной энергией. Её влияние приводит к расширению пространства, но у нас пока что нет разумного обоснования для введения этой новой переменной. Итак, совершенно необъяснимо, отчего необходимо вводить новую переменную.

В данный момент я хотела бы подчеркнуть в первую очередь, что тёмная материя и тёмная энергия – это совершенно разные вещи. Перед нами две загадки относительно того, что составляет большую часть нашей вселенной, но их последствия совершенно различны. Оттого, что тёмная материя, имеет гравитационное притяжение, она больше способствует образованию структур. В результате, создаются условия для формирования скоплений галактик, всё это благодаря гравитационному притяжению. В то же время, вклад тёмной энергии в том, что расстояние между галактиками становится всё больше и больше. Она вызывает уменьшение гравитационного притяжения между галактиками и, следовательно, затрудняет образование структур. Таким образом, рассматривая такие объекты, как скопления галактик, и как они, точнее плотность их количества, как их количество зависит от времени, можно узнать, как тёмная материя и тёмная энергия конкурируют друг с другом при формировании структур.

Теперь что касается тёмной материи. Я уже сказала, что у нас нет никаких по-настоящему убедительных аргументов в пользу тёмной энергии. А есть ли что-то для объяснения тёмной материи? Ответ на этот вопрос – да. Для обоснования тёмной материи есть несколько серьёзных кандидатур. А что понимать под серьёзной кандидатурой? Тут я имею ввиду математически стройные построения, созданные, на самом деле, для объяснения совершенно иных явлений, о которых я ещё даже не упоминала. Каждое из этих построений указывает на существование новой, очень слабо взаимодействующей частицы.

Для физики это – как раз то, что нужно: когда предсказание даётся математически стройной теорией, фактически созданной для иных целей. Но пока неизвестно, является ли какая-то из двух теорий на самом деле верной кандидатурой для тёмной материи. Одна или обе? Кто знает? Или может быть что-то совершенно другое. Так вот, мы ищем частицы тёмной материи, ведь, в конечном итоге, они есть здесь, в этой комнате, и они не входили через дверь. Они просто проникают сквозь что угодно. Они могут пройти сквозь здание, сквозь землю – настолько у них отсутствует взаимодействие.

Так что, их можно искать путём построения детекторов, которые будут крайне чувствительны к частицам тёмной материи, которые, проходя сквозь них, столкнутся с ними. Скажем, детекторный кристалл, который будет звенеть, если это произойдет. Один из моих коллег недалеко отсюда [из Стэнфорда] и его сотрудники построили такой детектор. Они поместили его глубоко под землёй, в одном из железных рудников в Миннесоте. Глубоко под землей. И надо сказать, что на днях они объявили наиболее важные на сегодняшний день результаты. Они ничего не увидели, но этот поиск определил ограничения на массу и силу взаимодействия частиц тёмной материи. В течение этого года будет запущен спутник с телескопом. Он будет наблюдать за центром галактики, в попытке увидеть, с его помощью, аннигиляцию частиц тёмной материи и рождение гамма-лучей. Вот - Большой адронный коллайдер, ускоритель частиц, который мы собираемся запустить до конца этого года. Возможно, что частицы тёмной материи могут быть произведены на Большом адронном коллайдере.

Они настолько не взаимодействуют, что, на самом деле, они будут ускользать от детектора, поэтому оставленным ими следом будет потерянная энергия. К сожалению, существует множество новых физических моделей, след которых тоже может быть в виде потерянной энергии, поэтому будет трудно отличить их между собой. И, наконец, для будущих попыток разрабатываются телескопы, создаваемые специально для решения вопросов, связанных с тёмной материей и тёмной энергией, и это наземные телескопы. А есть ещё три космических телескопа, и прямо сейчас между ними идёт конкуренция за право быть запущенными на орбиту ради изучения тёмной материи и темной энергии. Итак, вспомним главные вопросы: Что такое тёмная материя? Что такое тёмная энергия? Эти важные вопросы стоят перед физикой, и я уверена, что у вас есть много вопросов. На них я готова с удовольствием ответить в течение следующих трёх дней, которые я буду здесь. Благодарю вас. (Аплодисменты)