тёмная материя

Старый звёздный шар, собравший сотни тысяч солнц, миллиарды лет кружит по окраине карликовой галактики. По расчётам он давно должен был рухнуть в центр, как тяжёлый камень в киселе. Но шар держится на месте, и этот факт не даёт покоя астрофизикам уже несколько десятилетий.

В подземной лаборатории в Южной Дакоте детектор LUX-ZEPLIN, наполненный жидким ксеноном, ждёт редких столкновений. Обычно частицы тёмной материи проходят сквозь него бесследно, но однажды ядро ксенона сдвинулось с места с энергией 248 кэВ. Это слишком сильный толчок для привычных моделей, где тёмная материя лишь слегка задевает ядра.

В подземной лаборатории под горой Санфорд в Южной Дакоте стоит бак с десятью тоннами жидкого ксенона, который ждёт, когда сквозь него пролетит частица тёмной материи. За 60 дней наблюдений детектор LZ зарегистрировал один-единственный ядерный отскок с энергией 248 кэВ.

В баке с тремя тоннами жидкого ксенона, спрятанном глубоко под землёй, однажды что-то шевельнулось. Не сам ксенон, а одно из его атомных ядер: оно получило толчок с энергией 248 тысяч электронвольт и отскочило, как бильярдный шар, в который попал невидимый шар.

Луч света, пролетающий мимо массивного тела, огибает его, как бегун огибает угол стадиона. Для нейтронной звезды этот угол отклонения обычно считается таким же, как для точечной массы. Но если звезда окутана невидимым гало из тёмной материи, картина меняется: свет, проходящий сквозь гало, отклоняется слабее, чем предсказывает полная масса.

Нейтрон — частица, которая обычно стабильно «сидит» в ядре атома и не исчезает. Но некоторые теории предполагают, что изредка он может превращаться в своего невидимого двойника — гипотетическую частицу, которую невозможно поймать обычными детекторами.

В шахте, ведущей к Большому адронному коллайдеру, планируют разместить необычную установку — стометровую вертикальную трубу, внутри которой будут падать облака атомов стронция. Каждое облако охлаждают до почти абсолютного нуля, чтобы атомы двигались медленно и согласованно, как танцоры в замедленной съёмке.

Тёмную материю никто не видел, но она должна проходить сквозь детекторы как ветер сквозь листву. Иногда, очень редко, частица тёмной материи задевает ядро атома — и тогда детектор должен уловить этот толчок. Проблема в том, что лёгкие частицы тёмной материи почти не могут сдвинуть тяжёлые ядра: это как пытаться сбить кеглю, бросая в неё пушинку.

В недрах Солнца протекают термоядерные реакции, которые могут порождать гипотетические лёгкие частицы — аксионы, почти не взаимодействующие с веществом. Один из таких процессов, если он существует, приводит к появлению аксионов с энергией 5,49 МэВ — это сравнимо с энергией теннисного мяча, летящего со скоростью 100 км/ч.

В южном небе, за плотной завесой космической пыли, прячется источник гамма-лучей — самого энергичного света во Вселенной. Он светит так ярко, что его излучение пробивается даже сквозь эту завесу, но сам объект остаётся невидимым для оптических телескопов. Астрономы направили на соседние облака газа радиотелескоп ALMA и увидели узор, который выдал невидимку.

Тёмная материя не испускает и не отражает свет, но её присутствие выдаёт гравитационное воздействие на видимое вещество. Чтобы зарегистрировать хотя бы одну частицу, физики строят детекторы, похожие на очень тихие комнаты: внутри лежат кристаллы, которые вспыхивают, когда в них попадает частица. Но вспышка слабая, и если свет теряется по дороге, сигнал можно не заметить.

Кристалл йодида натрия, активированный таллием (NaI(Tl)), — своего рода фотоплёнка для невидимых частиц. Когда в него попадает гамма-квант или гипотетическая частица тёмной материи, он испускает слабую вспышку света — сцинтилляцию. Два кремниевых фотоумножителя, прижатые к торцам кристалла, регистрируют эту вспышку с двух сторон.

Представьте карусель: чем дальше от центра сидите, тем быстрее вас везёт. Долгое время считалось, что галактики устроены иначе — звёзды на окраинах должны вращаться медленнее, чем вблизи ядра. Однако ещё в 1970-х астрономы, измеряя доплеровское смещение спектральных линий, обнаружили: у многих спиральных галактик скорость звёзд почти не падает с удалением от центра.

В первые мгновения после Большого взрыва вещество и антивещество должны были родиться в равных количествах — таковы законы симметрии физики элементарных частиц. Но сегодня вокруг нас — обычное вещество (протоны, нейтроны, электроны), а антивещество (антипротоны, позитроны и т.д.) почти не встречается. Куда оно делось?

Галактика напоминает город: в центре — яркие огни и плотная застройка, а к окраинам — редкие огни и пустота. Однако если проследить за вращением газа в галактическом диске, обнаружится, что на окраинах скорость почти не падает. Будто невидимые кварталы продолжают поддерживать движение. Астрономы нашли способ нанести этот невидимый город на карту.

Магнит весом в несколько песчинок парит в воздухе без всякой опоры. Он не касается стенок, не трётся о подшипники — просто висит в магнитной ловушке, как пылинка в солнечном луче. Исследователи заставили эту кроху работать сверхчувствительным компасом: прибор ловит изменения магнитного поля в 23 фемтотесла.

Вселенная постоянно шлёт нам сигналы, но многие из них слишком слабы, чтобы их заметить. Реликтовые нейтрино — частицы, оставшиеся от Большого взрыва, — проходят сквозь Землю миллиардами каждую секунду, но поймать хотя бы одно — задача на грани возможного. Нужен детектор, который почувствует энергию в тысячу раз меньше, чем нужно, чтобы сдвинуть пылинку.

Спидометр галактики зашкаливает. Внешние звёзды кружатся так быстро, что по всем законам тяготения должны были бы улететь прочь, как брызги с колеса.

Представьте огромный стадион, заполненный людьми в чёрном. Вы стоите снаружи и пытаетесь понять, что там внутри, хотя не видите ни одного человека. Но если двое столкнутся и обменяются яркими футболками — вы заметите вспышку цвета. Именно так астрономы ищут тёмную материю — гипотетическую форму материи, которая не излучает и не поглощает свет, но проявляет себя через гравитацию.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная напоминала кипящий котёл — сверхплотную, горячую плазму элементарных частиц. Согласно одной из гипотез, именно в этой среде могла родиться тёмная материя — невидимое вещество, которое своим гравитационным притяжением удерживает галактики от развала.

Где-то в центре галактики кружится чёрная дыра — объект с гравитацией настолько сильной, что даже свет не может её покинуть. Она не висит в пустоте: вокруг неё — невидимый рой частиц тёмной материи, загадочной субстанции, которая не излучает и не поглощает свет, но выдаёт себя гравитационным влиянием.

У любого пульсирующего объекта есть момент, когда ритм сбивается. Для бозонных звёзд — гипотетических сгустков сверхлёгких частиц — таким моментом оказывается точка, где масса перестаёт расти. Авторы работы рассчитали низшую радиальную моду (основной тон «дыхания») для целого семейства таких звёзд, включая модели с само-взаимодействием — свойством частиц влиять друг на друга.

Нейтронная звезда — это сверхплотный остаток взрыва сверхновой: масса Солнца упакована в шар диаметром с город. Миллиарды лет она летит сквозь пространство, собирая вокруг себя невидимое вещество — тёмную материю, которая не излучает свет, но притягивает гравитацией.

Радиотелескоп с пятисотметровой тарелкой FAST зарегистрировал сигнал на длине волны 21 сантиметр — это спектральная линия излучения холодного нейтрального водорода. Сигнал исходил от облака, получившего название Cloud-9. Оно находится вблизи галактики M94, но не содержит ни одной звезды.

Невидимый гравитационный каркас удерживает галактики от разлёта. Это тёмная материя — субстанция, которая не излучает свет и почти не взаимодействует с обычным веществом, кроме как через гравитацию. Астрофизики давно спорят о её природе.

Ночное небо кажется случайной россыпью звёзд. Но если разглядеть его на огромных расстояниях, хаос исчезает. Галактики собираются в длинные нити и плоские стены, а между ними зияют исполинские пустоты — космические войды. Эту конструкцию называют космической паутиной. Чтобы описать такую сложную систему, недостаточно просто посмотреть на картинку.

Космологическая стандартная модель — это фундаментальная теоретическая схема, описывающая эволюцию Вселенной, — похожа на рецепт пирога, где всё строго отмерено: тёмная материя — гипотетическая форма материи, не участвующая в электромагнитных взаимодействиях, — как мука без комочков (давление ноль), а тёмная энергия — загадочная субстанция…

Красный гигант в шаровом скоплении — это звезда на поздней стадии эволюции, своего рода «звезда на пенсии». Она исчерпала водород в ядре и теперь поддерживает горение в тонком слое вокруг гелиевого ядра.

Квантовый мир напоминает кухню, где из «ничего» вдруг появляются частицы. Но для этого нужен повар — классическое поле, которое действует как внешний источник. Теорема Глаубера, давно известная в оптике, теперь обобщена: она показывает, как именно поле «готовит» частицы, будь то фотоны или гравитоны.

Ранняя Вселенная напоминает кипящий котёл, где частицы и античастицы рождаются и аннигилируют в равных долях. Но сегодня вокруг нас только материя — звёзды, планеты, мы сами. Как крошечный перевес в одну миллиардную долю возник из первоначального равенства? Один из ответов прячется в колебаниях тяжёлого поля, похожего на скалу, которую прилив то заливает, то обнажает.

Охотник расставляет силки в лесу. Он знает повадки зверя, но не знает, попадётся ли тот вообще. Примерно так же физики расставляют детекторы в попытке поймать частицы тёмной материи — невидимой субстанции, которая, как считается, составляет большую часть массы Вселенной. Новая работа предлагает охотникам необычный инструмент: не капкан, а рулетку.

В антарктическом льду спрятан детектор размером с кубический километр. Он ловит не свет, а призрачные частицы — нейтрино, которые почти не взаимодействуют с веществом. Но иногда в нём может мелькнуть совсем другой зверь: пара мюонов, которые рождаются вместе и разлетаются широким веером. Такой узор не нарисовать ни одной известной частицей из обычной материи.

Тёмная материя — невидимый каркас Вселенной. Её существование выводится из гравитационного влияния на движение звёзд и галактик, но состав этого каркаса остаётся загадкой. Одна из гипотез — сверхлёгкие частицы, напоминающие аксионы. Они почти не взаимодействуют с обычным веществом, однако в редких случаях могут проявлять себя.

Чёрная дыра — не просто космический пылесос. Если она вращается, то способна усиливать волны вокруг себя, как горное эхо повторяет звук. Для сверхлёгкой тёмной материи — гипотетических частиц в миллиарды раз легче электрона — этот эффект, называемый сверхизлучением, может создать огромное облако.

Чёрная дыра — не изолированная воронка в пустоте. Вокруг неё может накапливаться невидимая материя, и тогда привычные границы, определяющие её наблюдаемый облик, смещаются.

На тёмных окраинах нашей Галактики, вдали от ярких звёздных скоплений, прячутся миллионы чёрных дыр — объектов, которые не светятся и почти не поглощают вещество. Обычные методы поиска, рассчитанные на тесные звёздные поля, здесь бессильны. Нужен другой подход. Астрономы предложили использовать в качестве детектора саму ткань пространства.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная пережила стремительное раздувание — инфляцию (экспоненциальное расширение пространства). Пространство растягивалось быстрее света, и квантовые дрожания вакуума — флуктуации полей, неизбежные в микромире, — превращались в настоящие частицы.

Шаровое скопление — плотный рой из сотен тысяч звёзд, гравитационно связанных в компактную сферу, — прошивает галактику, словно пуля воду. В обычной тёмной материи — невидимой массе, удерживающей галактики от разлёта, — оно должно быстро терять скорость из-за приливного трения.

Водоворот заглатывает воду, но большую её часть разбрызгивает вокруг. Примерно так ведёт себя чёрная дыра — область пространства-времени с гравитацией столь мощной, что даже свет не может её покинуть, — когда на неё падает слишком много вещества.

Космический объект вращается, но его тень — область, откуда не выходит свет, — не обладает идеальной округлостью. Астрофизики рассмотрели чёрную дыру в рамках нестандартной теории гравитации — так называемого мира на бране, где наша Вселенная представляет собой трёхмерную поверхность, погружённую в пространство большего числа измерений.