С Юрием Николаевичем Гнединым, ученым ГАО РАН, мы познакомились в Репино во время проведения 41международной Зимней школы по ядерной физике, куда приглашаются также ученые астрофизики, чтобы рассказать о своих достижениях. Именно в этой области науки есть некий прорыв за последние годы и осуществлен ряд открытий. Полностью статья была опубликована в журнале «Земля и Вселенная» (№1 2006 г.) и посвящена одной из основных проблем современной астрономии – проблеме темной материи во Вселенной. Мы предлагаем читателям сокращенный вариант этой статьи.

Двадцатый век можно назвать золотым веком квантовой физики и физики элементарных частиц. Можно с уверенностью сказать, что 21-ый век будет золотым веком для астрономии и особенно для космологии. Всеволновой характер современной астрономии позволяет осуществлять наблюдения, используя весь спектр электромагнитного излучения, включая радио, оптическое, рентгеновское, гамма и нейтринное излучения, излучение фотонов сверхвысокой энергии и космические лучи. Именно это обстоятельство привело к стремительному росту наших знаний, как о конкретных астрономических объектах, так и всей Вселенной в целом и, в особенности, об ее структуре. И вот здесь астрономов ожидал неожиданный сюрприз. Астрономы открыли новые необычные формы материи и энергии. Оказалось, что состав Вселенной совсем не похож на состав окружающего непосредственно нас мира. Если рассматривать среднюю плотность вещества или энергии, то для Вселенной в целом обычное барионное вещество составляет только 4%, на 23% Вселенная состоит из невидимой, так называемой, «темной материи», а 73% средней плотности составляет «темная энергия», т.е. новый вид поля (по-видимому, скалярного, т.е. состоящего из элементарных частиц с нулевым спином), который обеспечивает ускоренное Хаббловское расширение Вселенной.

Речь пойдет о той части вещества во Вселенной, которое проявляет себя только единственным способом – именно через гравитационное взаимодействие. Истоки этого открытия относятся еще к 40-вым годам прошлого столетия. Впервые проблему темной материи сформулировал Цвики в 1933 г., хотя можно считать первым астрономом, кто соприкоснулся с этой проблемой, известного эстонского астронома Эпика. Именно Эпик первым обратил внимание на тот факт, что количество светящейся материи в космических структурах (галактики, скопления галактик) не всегда соответствует картине гравитационного взаимодействия звезд в этих структурах в соответствии с законом Ньютона.

Массу галактики можно сравнить с количеством светящегося вещества в этой галактике. Поскольку в галактиках преобладающую часть звезд составляют звезды типа нашего Солнца, то отношение массы типичной галактики к ее светимости должно равняться солнечному значению, т.е. M/L = 0.5. А для многих галактик это отношение во много раз превышает эту величину, в особенности, если рассматривать именно гало галактики. Наблюдения последних лет показали, что отношение M/L особенно велико для, так называемых, карликовых галактик. Наиболее простым объяснением такого расхождения является вывод о существовании невидимого «темного» вещества, которое проявляет себя только в гравитационном взаимодействии.

Сразу же после открытия темной материи астрономы разделились на два отряда, каждый из которых независимо решал задачу определения кандидатов в темную материю. Принципиальный вопрос состоит в том, имеет ли темная материя барионную природу или она состоит из элементарных частиц небарионной природы.

Главная проблема - как отличить барионную темную материю от небарионной. Астрономы Южной Европейской Обсерватории решили использовать для наблюдений барионной темной материи свойство лучей света, проходящих вблизи массивного тела, испытывать гравитационное отклонение вследствие эффекта общей теории относительности (ОТО). Это означает, что гравитационное поле объекта может действовать как линза, вызывая усиление блеска далекой звезды. Выдающийся астрофизик польского происхождения Б.Пачинский, работающий сейчас в Принстонском Университете США, предложил использовать для выявления природы объектов темной материи именно этот эффект гравитационного микролинзирования звезд ближайших галактик объектами темной материи в гало нашей Галактики. В качестве таких галактик были выбраны Большое Магеллановое Облако (БМО) и Туманность Андромеды, а также область в окрестности ядра нашей Галактики с целью поиска темной материи в этой области.

Данные этих наблюдений исключили существование в гало нашей Галактики барионной темной материи в виде коричневых карликов и планет типа Юпитера. Другой вывод состоит в том, что барионные объекты составляют только ~ 20% всей темной материи внутри гало нашей Галактики. Это позволяет считать, что большая часть темной материи в нашей Галактике состоит из объектов небарионной природы, т.е. элементарных частиц.

Наиболее вероятными кандидатами в темную материю в настоящее время считаются такие элементарные частицы как аксионы и вимпы (аббревиатура английского термина: WIMP – Weakly Interacting Massive Particle).

В течение прошлого столетия физики накопили огромное количество экспериментальных данных, свидетельствующих, что все огромное количество взаимодействий между разными физическими телами можно свести всего лишь к четырем, расположенным по мере возрастания силы взаимодействия в таком порядке: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Последнее представляет ядерные силы. Каждое из этих взаимодействий характеризуется наименьшими компонентами. Для электромагнитного взаимодействия – это фотон, для слабого – это, так называемые, слабые калибровочные бозоны, сильное взаимодействие характеризуется глюоном, а для гравитационного взаимодействия таким компонентом является гравитон, который еще не обнаружен прямыми экспериментами. Эксперименты показали, что сильное взаимодействие примерно в тысячу раз сильнее электромагнитного и в сто тысяч раз сильнее слабого. Однако физические эксперименты последних лет показали, что с увеличением относительной энергии взаимодействующих частиц константы всех видов взаимодействия сближаются друг с другом. Это привело физиков к созданию новой теории, которая получила название Теории Великого Объединения (GUT – Grand Unification Theory). Примесь электромагнитного и слабого взаимодействий к сильному сразу же требует существования новой частицы, которая и получила название аксион. По своим свойствам аксион – это маломассивная частица, похожая на хорошо известный в ядерной физике пи-мезон.

Обоснование возможности существования «вимпов» основано на другом подходе в физике элементарных частиц. Успех теории великого объединения коснулся только трех видов взаимодействий: слабого, электромагнитного и сильного. Гравитационное поле выпадало из этого взаимодействия.

 Более полное объединение всех видов взаимодействий, включая гравитационное, потребовало создания новой теории, которая получила название суперсимметрии (SUSY).

Методы поиска частиц темной материи можно разделить на прямые и косвенные. Прямые методы опираются на попытки детектировать темную материю путем ее взаимодействия непосредственно с объектом лабораторного эксперимента на Земле. Косвенное детектирование основано, главным образом, на попытках регистрации вторичных частиц, возникающих в космических условиях вне Земли в результате либо распада самих частиц темной материи, либо - процесса аннигиляции частица-античастица.

Астрономия имеет дело с наблюдениями электромагнитного излучения, поэтому можно организовать поиски аксионов, используя их, хотя бы и слабую, связь с электромагнитным полем. Для аксионов существуют два вида такой связи. Первый из них представляет собой процесс распада аксиона на два фотона аналогично хорошо известному распаду на два фотона пи-мезона.

Наиболее интересным с точки зрения астрономии представляется второй процесс. Он представляет собой, так называемый, процесс конверсии (превращения) аксиона в фотон во внешнем магнитном поле при условии, что направление этого магнитного поля не совпадает с направлением фотона. Имеет место и обратный процесс превращения фотона в аксион в магнитном поле.

В последнее время, благодаря эффективной работе американского ученого из Стенфорда Дж. Овердьюна и канадского ученого Вессона, детально проанализированы данные наблюдений интенсивности космического фонового излучения Вселенной в широком спектральном интервале: радио, инфракрасном, оптическом, ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма диапазонах. Были установлены надежные верхние пределы на величины энергии излучения, возникающего в результате распада разнообразных частиц – кандидатов в темную материю: маломассивных аксионов, нестандартных нейтрино, нестабильных слабо взаимодействующих массивных частиц (ВИМП – нейтралино) и испаряющихся реликтовых черных дыр.

Замечательно, что звезды являются мощными источниками слабо взаимодействующих частиц, включая нейтрино, гравитоны и, конечно, аксионы. Эти частицы могут возникать в результате ядерных реакций и различных нетепловых процессов во внутренних областях звезд. Потенциальный эффект процесса аксионной эмиссии на эволюцию звезд очевиден: он влияет на эволюцию звезд, ускоряя ее, и сокращая время жизни звезды. Многие физики занялись расчетами именно этих процессов с целью планирования будущих экспериментов поиска новых слабовзаимодействующих частиц, включая аксионы.

Оригинальный проект аксионного солнечного телескопа разработан в Международном Центре Ядерных Исследований в Женеве (CERN). Этот проект получил название СAST (CERN Axion Solar Telescope). В основе проекта лежит использование большого, 10м длиной, специального сверхпроводящего магнита с напряженностью торроидального магнитного поля в 9 тесла. Аксионы, генерируемые в центре Солнца, попадают в специальную камеру с этим магнитом в тот момент, когда камера направлена на Солнце. Под действием такого сильного поля аксионы, проходящие 10-метровую длину в поперечном магнитном поле, превращаются в рентгеновские фотоны (в соответствие с температурой миллионы градусов в центре Солнца). Превратившийся в фотон аксион передает фотону энергию и импульс. По своей чувствительности, пропорциональной квадрату произведения BL, эксперимент в ЦЕРНе примерно в 100 раз превышает чувствительность всех действующих аксионных телескопов.

Оригинальная идея была высказана физиком Цзаки с коллегами из ЦЕРНа. Самым ярким астрономическим событием последнего времени явилось открытие, так называемой, «темной энергии». Оказалось, что сверхновые звезды типа Ia, которые считаются стандартными свечами, на больших z ~ 1 красных смещениях испытывают дополнительное поглощение по сравнению со стандартной космологической моделью. Именно этот факт послужил основанием считать, что расширение нашей Вселенной происходит с ускорением. Причиной такого ускорения является существование нового вида физического поля, которое обеспечивает такое ускорение. Природа такого поля пока остается неизвестной.

Астрономы и физики рассматривают также в качестве кандидатов в темную материю такие частицы, которые принято считать экзотическими и которые могли бы образоваться на ранних стадиях Вселенной. К таким частицам принято относить первичные испаряющиеся мини – черные дыры, капли неядерного (кваркового) вещества (их принято называть странглетами вследствие общепринятого в физике названия неядерного вещества – «странное»), зарядовые бозоны (многие из них предсказываются суперсимметричной теорией) и, наконец, так называемые, частицы Клейна-Калуцы.

В 1919 г. польский математик Теодор Калуца, который работал в то время в Университете г.Кенигсберга, начал разрабатывать новую теорию Вселенной. Он предположил, что Вселенная может иметь на самом деле не три пространственных измерения, а значительно больше, только они находятся в свернутом положении, и поэтому на уровне современной науки пока недоступны экспериментальной проверке. В качестве доступного примера, иллюстрирующего эту идею, часто приводят пример садового шланга, который издали выглядит протяженным и одномерным, но, по мере приближения к нему, становится видным его охват, и он представляется двумерным объектом. Дальнейшее развитие этой гипотезы было выполнено математиком из Швеции Оскаром Клейном, который показал, что структура пространства нашей Вселенной может содержать как протяженные, обычные в нашем представлении пространственные измерения, так и свернутые измерения. Последние могут быть туго скручены в ничтожно малой области, такой малой, что она не может быть обнаружена даже с помощью самого современного экспериментального оборудования.

Эта идея оказалась настолько плодотворной, что хорошо вписывается в теорию суперсимметрии, а также дает основания считать, что и гравитацию удастся объединить с другими силами взаимодействия в рамках единой теории Великого Объединения.

Другая «экзотическая» сенсация возникла сравнительно недавно в связи с поведением американских космических кораблей Пионер10/11, когда они достигли внешней области Солнечной системы. Эти спутники были запущены примерно 30 лет назад. Они представляют собой настоящие физические лаборатории, позволяющие выполнять различные гравиметрические эксперименты и, в частности, измерять гравитационное ускорение. Выполненный тщательный анализ полученных данных неожиданно показал, что спутники испытывают постоянное неизвестной природы ускорение, которое направлено в сторону Солнца. Интрига состоит в том, что это дополнительное ускорение не зависит от расстояния и остается постоянным в пределах от 20 до 60 астрономических единиц от Солнца.

Появилось большое количество работ, которые для объяснения этого явления привлекают новую физику, а также новые астрономические открытия темных материи и энергии. Самое любопытное состоит в том, что величина обнаруженного аномального ускорения точно равна произведению скорости света на постоянную Хаббла, т.е. cH. В настоящее время многие астрономы и физики считают, что решение обеих проблем происхождения темной материи и аномального ускорения «Пионеров» тесно связаны друг с другом.

Таким образом, проблема темной материи остается открытой. Пока наиболее вероятными кандидатами кажутся массивные слабо взаимодействующие частицы – вимпы или нейтралино в силу их относительной стабильности. Легкие частицы, предсказываемые современной теорией Вселенной с дополнительными пространственными измерениями (теория Калуцы-Клейна), также считаются перспективными кандидатами. Замечательный период современной науки состоит в том, что в данный момент, как никогда, усилия астрономов и физиков тесно объединены для решения ключевых проблем исследования Вселенной.