Темная материя — прямо в этой комнате

Проблема темной материи, или, как ее чаще называют ученые, скрытой массы,— одна из самых интригующих загадок современной физики. Оказывается, все, что мы видим во Вселенной, все, что могут зарегистрировать физические приборы,— лишь малая часть существующей природы. И остается еще обнаружить большую ее часть. Обо всем этом «Ъ-Наука» беседует с ведущим научным сотрудником и профессором кафедры физики элементарных частиц НИЯУ МИФИ, доктором физико-математических наук Константином Белоцким.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Итак, что такое скрытая масса?

— Это некая материя неизвестной физической природы, которая заполняет нашу Вселенную и о которой мы знаем по ее гравитационной роли во Вселенной. В первую очередь это формирование структуры галактик. Но не только свидетельств о том, что она существует очень долго. По современным оценкам, этой материи в пять раз больше, чем обычной, нам известной материи — той материи, из которой мы с вами состоим.

— Каковы главные эффекты и феномены, которые позволяют предположить, что вот эта материя существует, несмотря на то что ее не видно?

— Их, как я сказал, достаточно много. Я бы насчитал штук десять. Самые наглядные среди них — это кривые вращения галактик. Мы видим, что звезды вращаются вокруг центра галактики со скоростями, намного большими, чем они должны были бы быть, если бы это вращение было только лишь за счет обычной материи. Мы знаем, как Земля вращается вокруг Солнца. По скорости движения Земли вокруг Солнца мы можем определить массу Солнца. Точно так же по скорости вращения звезд в галактике мы можем определить массу галактики. И мы видим, что эта масса в пять раз больше, чем наблюдаемое вещество. И мы это вращение наблюдаем даже за пределами видимой галактики. Мы можем уйти за пределы диска нашей галактики, там мы наблюдаем газ, который тоже вращается, мы видим, что его вращение соответствует намного большей массе галактики, чем масса всего диска.

— Эти гравитационные эффекты позволяют ли судить о том, распределена ли эта скрытая масса в пространстве равномерно или она, может быть, слипается в какие-то «скрытые планеты»?

— Это очень хороший вопрос. Я сказал бы, что он сейчас прорабатывается. То есть нет еще окончательного мнения. Изначально считается, что скрытая масса формирует только структуру Вселенной на масштабе галактик. И обычная материя как бы попадает в эту структуру. То есть скрытая масса формирует общую структуру, а мы потом в эту структуру как бы попадаем, потому что ее в пять раз больше и она диктует нам, то есть видимой материи, общие законы пространственного распределения. А вот может ли она образовывать более мелкие структуры — это все обсуждаемо. Даже есть гипотеза, что она может образовывать «темные звезды». То есть такие незаметные и очень компактные «комки» темной материи

— А наблюдается ли скрытая масса на структурах, больших, чем галактики? Например, на скоплениях галактик?

— Скопление галактик формирует исключительно скрытая масса. Вот обычная материя, из которой мы с вами состоим,— она бы это сделать не смогла. Она тут как бы вторичную роль играет. И это одно из главных свидетельств того, что темная материя существует.

— Итак, главная «улика» существования скрытой массы — скорость вращения космических объектов?

— Еще один тип свидетельств связан с потенциальной энергией. В скоплениях галактик и внутри галактик скапливается газ, который принимает температуру, соответствующую потенциальной энергии. То есть мы по температуре газа можем измерять потенциальную энергию галактики либо скопления галактик. А мы со школы знаем, что потенциальная гравитационная энергия определяется полной массой. И мы видим, что температура газа соответствует намного большей массе, чем мы наблюдаем. Другой независимый вид свидетельства о скрытой массе — реликтовое излучение, по-английски оно называется «космическое микроволновое излучение». Оно, как известно, дает отпечаток того, какой состав у Вселенной был с самого начала, когда даже галактик еще не было. Но тем не менее скрытая масса давала какие-то возмущения в этом реликтовом излучении, какие-то неоднородности. Они очень маленькие, тем не менее они обнаруживаются современными приборами. И мы видим, что, судя по этим возмущениям, скрытой массы было намного больше, чем обычного вещества. И тут надо наложить это свидетельство на расчеты, согласно которым без скрытой массы мы не смогли бы к данной эпохе сформировать такие галактики, как сейчас. Если бы галактики состояли только лишь из обычного вещества, из которого мы с вами состоим, для этого понадобилось времени намного больше.

— Насколько больше?

— Примерно в десять раз больше. А мы видим, что галактики сформировались уже сейчас такими, какими они есть.

— Какими основными способами сейчас наука ищет темную материю?

— Тут можно выделить много направлений. Во-первых, прямые поиски. Мы понимаем, что скрытая масса вокруг нас. Даже в этой комнате. Сейчас мы с вами разговариваем — она здесь находится. И мы предполагаем, что она существует в виде каких-то частиц. И значит, эти частицы можно пытаться зарегистрировать детекторами.

— То есть вы предполагаете, что эти невидимые частицы вступают в какие-то взаимодействия с видимыми частицами?

— Вот это очень хороший вопрос. Мы надеемся, что да. Вообще можно разделить все гипотезы о природе скрытой массы на два класса. Первый класс — что они различно взаимодействуют с нами, второй класс — что они только гравитационно взаимодействуют. Я вот придерживаюсь гипотезы, что они взаимодействуют через разные типы взаимодействия. Тот класс гипотез, что они только гравитационно взаимодействуют, включает в себя в первую очередь гипотезу, что скрытая масса состоит из так называемых первичных черных дыр и, может быть, каких-то еще гравитационных дефектов пространства-времени.

— Звучит таинственно…

— Это вообще трудно объяснить. У нас пространство трехмерное, а в этих гипотезах предполагается, что пространство может иметь больше, чем три измерения. И у нас в пространстве образуются узелки из дополнительных измерений. Представьте, что вы как бы спицами вяжете пространство из трех измерений, а лишние измерения вы сворачиваете в узелки. И эти узелки могут проявляться в нашем измерении как скрытая масса. При этом дополнительные измерения могут быть маленькими. Мы же знаем, что наше трехмерное пространство расширяется. Но, может быть, с дополнительными измерениями этого не произошло, может быть, они остались маленькими и свернулись в какие-то узелки.

— А может быть, они являются резервом, за счет которого наше пространство расширяется?

— Это все очень сложные вопросы. Это передний край науки. И пока предполагается, что в эти узелки мы не можем заглянуть. Потому что наши технические возможности не позволяют заглядывать в объекты такого маленького размера. Чтобы исследовать столь маленький размер, нам нужны высокие энергии. Ускорительных энергий может быть недостаточно. Но тем не менее дополнительные измерения могут существовать в виде компактифицированных узелков, и вот их мы чувствуем как скрытую массу. Вообще, эти гипотезы упираются в проблему построения теории квантовой гравитации. Это была мечта еще со времен Эйнштейна — построить теорию, которая включает описание всех взаимодействий, включая гравитацию. Но такая теория до сих пор не построена.

— Второй класс гипотез, как можно понять, более приземленный?

— Да, он более традиционный: что скрытая масса состоит из частиц, просто с нами плохо взаимодействующих. Вот я считаю, что они с нами взаимодействуют не только лишь гравитационно. Вообще все, что существует в природе, обязательно взаимодействует с нами гравитационно. Не бывает такого, чтобы что-то не взаимодействовало. Если что-то не взаимодействует гравитационно, значит, его не существует в природе.

— А свет? Он не имеет массы.

— Тем не менее он тоже взаимодействует гравитационно. Это проверенный факт, луч света отклоняется в гравитационном поле. Это классическая теория гравитации, созданная Эйнштейном, которая говорит о том, что гравитация описывает геометрию пространства. Поэтому все, что существует в пространстве, взаимодействует гравитационно. И вот этот второй класс гипотез предполагает, что скрытая масса состоит из примерно тех же частиц, из которых состоим и мы, но других такого же типа. И они должны вступать с нами и в другие взаимодействия, не только гравитационные.

— Почему?

— Если они взаимодействуют только гравитационно, тогда это такой скучный случай. И я считаю, что он не реализуется. Частицы обязаны с нами еще как-то взаимодействовать. Потому что если они взаимодействуют только гравитационно, тогда у них нет смысла. Мы должны как-то их вписать в общую картину мира. Если у нас есть какая-то новая частица, то какова ее роль в общей теории? Она должна быть куда-то вставлена. Вот представьте таблицу Менделеева. Вы можете вписать туда элемент, который не состоит из протонов и нейтронов? Нет. Это нельзя это сделать. Точно так же и тут. Если вы хотите вписать в нашу «таблицу» частицу, которая не обладает никаким взаимодействием, кроме гравитационного, то для нее не окажется места.

— Есть ли какие-то предположения о свойствах этих частиц?

— Это полностью открытый вопрос.

— А что за концепция «темного атома»?

— Это одна из существующих гипотез. Ее, например, выдвигает профессор МИФИ Максим Юрьевич Хлопов. Он исследует гипотезу, что скрытая масса может состоять из наших частиц. Предполагается, что существует какая-то неизвестная частица X с отрицательным электрическим зарядом –2, то есть зарядом, равным двум зарядам электрона. И эта частица X объединяется с ядром гелия. Ядро гелия имеет заряд +2, в ней два протона. В результате этого соединения мы получаем электронейтральную частицу. То есть X с зарядом –2 объединяется с ядром гелия с зарядом +2, и получается «темный атом». Он очень маленький. Он размером с ядро гелия. Он электронейтральный. В некотором смысле получается такой сверхтяжелый нейтрон. И это не противоречит наблюдениям.

— И такой «темный атом» должен быть невидимым?

— Да, он невидимый, потому что он электронейтрален. Поэтому обнаружить его не так просто. Вообще, можно попытаться его обнаружить, и коллеги исследуют все эксперименты, которые сейчас проводятся по поиску скрытой массы. И они говорят, что «темный атом» незаметен, он обходит все наблюдательные данные. Это очень экзотическая гипотеза.

— На ваш взгляд, из проводимых сегодня экспериментов или, может быть, космических миссий какие наиболее перспективны с точки зрения поиска скрытой массы?

— Направлений исследований несколько. Есть подземные эксперименты. У нас повсюду есть скрытая масса, мы сейчас поставим сюда детектор и будем искать ее. Эти детекторы, конечно, не в комнате размещаются, а под землей, чтобы было меньше искажений. Второе направление исследований — ускорители, в которых мы пытаемся «родить» частицы скрытой массы и их там зарегистрировать. И третье направление — это косвенные проявления, в частности в космических лучах, и другие космические проявления. Все эти исследования базируются на надежде, что скрытая масса обладает каким-то взаимодействием, так что она может превращаться в наши наблюдаемые частицы, и это могут быть какие-то всплески в космических лучах.

— А есть ли гипотезы о связи скрытой массы с темной энергией?

— Вы прямо меня в тупик поставили. Такой связи нет. Это две отдельные проблемы.

Беседовал Константин Фрумкин