Мы не можем ее увидеть или почувствовать. Но Лиза Рэндалл считает, что темная материя может многое объяснить о нашей Вселенной — в том числе и гибель динозавров. Но каждый любитель астрономии знает, что темная материя весьма неуловимая штука. Мы не видим ее, не слышим, не чувствуем, не знаем, какова она на вкус и запах. Даже с использованием самого хитроумного научного оборудования в мире нам пока не удалось получить доказательств того, что эта давно предположенная форма вещества существует вообще — хотя считается, что Вселенная полна темной материи.
Но если ее существование уже не оставляет сомнений, остается много вопросов о темной материи — включая и тип частиц, из которой она состоит. И, наряду с другими ведущими учеными, гарвардский физик Лиза Рэндалл пытается ответить на эти вопросы.
Не так давно старший научный редактор Huffington Post пообщался с Рэндалл, и в результате на свет появилось любопытное интервью, которым мы с вами и поделимся. Всегда интересно услышать мнение специалиста о его теме, да еще и доступным языком.
Что такое темная материя?
Это неуловимая форма материи, которая взаимодействует через гравитацию, подобно обычной материи, но не излучает или поглощает свет. Темная материя, похоже, существует везде во Вселенной. Но мы не воспринимаем ее напрямую: только через ее гравитационное влияние, поскольку она так слабо взаимодействует с обычной материей, к которой мы привыкли.
Темная материя состоит из атомов?
Нет. Она состоит не из атомов и даже не из знакомых нам элементарных частиц вроде протонов и электронов, которые заряжены и поэтому взаимодействуют со светом. Впрочем, возможно, темная материя состоит из частиц, масса которых сравнима с теми, что нам известны. Если это так и если эти частицы движутся со скоростью, которую мы можем предположить, миллиарды частиц темной материи проникают через каждого из нас каждую секунду. Но никто этого не замечает.
Если она невидимая, почему мы называем ее «темной»?
Возможно, темной материи лучше было бы с названием «прозрачная материя». Обычно мы называем «темным» то, что, вроде вашей черной рубашки или пиджака, поглощает свет. Но в случае с темной материей свет просто проходит через нее.
Откуда мы знаем, что темная материя существует?
Мы знаем, что она есть, поскольку видим ее эффекты на звездах и галактиках. При помощи телескопов и других инструментов мы можем увидеть, что что-то, помимо гравитации звезд и галактик, которые мы наблюдаем, влияет на движение этих звезд и галактик.
Темная материя влияет на расширение Вселенной, на путь, который проходят лучи света, достигающие нас от далеких объектов, и многие другие измеряемые явления, которые убеждают нас в существовании темной материи. Мы знаем о темной материи — и о ее безусловном существовании — по измерению гравитационных эффектов.
Гипотеза темной материи впервые была выдвинута много десятков лет назад. Расскажите нам об этом.
Впервые гипотезу темной материи выдвинул в 1933 году Фриц Цвикки, швейцарский астроном из Калифорнийского технологического института. Он пришел к этой идее после наблюдения скоростей звезд в гигантской группе гравитационно соединенных галактик, известной как скопление Волос Вероники (скопление Кома). Необходимо определенное количество гравитации, чтобы удержать быстро движущиеся звезды в скоплении от разбегания. И на основе вычислений скорости звезд Цвикки подсчитал, что количество массы, которой должно обладать скопление, чтобы иметь необходимую гравитационную тягу, было в 400 раз больше, чем вклад измеренной светящейся массы — то есть материи, которая излучает свет. Для учета всей этой дополнительной материи Цвикки предположил существование, как он назвал, dunkle materie, что по-немецки означает «темную материю».
Несмотря на эти первые наблюдения, долгое время темную материю по сути игнорировали (и его оценка недостающей материи была на самом деле слишком большой). Но в 1970-х годах идею возродили, когда астрономы наблюдали движение спутниковых галактик — небольших галактик в окрестностях более крупных — которое можно было объяснить только присутствие дополнительной невидимой материи. Эти и другие наблюдения перевели темную материю в область серьезных исследований.
Но ее статус значительно укрепился в 1970-х годах, благодаря работе Веры Рубин, астронома из Института Карнеги в Вашингтоне. Рубин и ее коллега Кент Форд обнаружили, что скорости вращения звезд были в значительной степени одними и теми же на любом расстоянии от галактического центра. То есть звезды вращались с постоянной скоростью даже далеко за пределами региона, содержащего светящуюся материю. Единственным возможным объяснением было наличие некой неучтенной материи, которая помогла удерживать дальние звезды, которые двигались быстрее, чем ожидалось.
Примечательным выводом этих исследователей было то, что на обычную материю приходилась лишь одна шестая от массы, необходимой для удержания звезд на орбите. Их наблюдения стали самым убедительным доказательством темной материи на то время.
В каком состоянии текущее знание о темной материи?
Ученые проделали большой прогресс в понимании темной материи, но остаются большие вопросы. Для исследователя вроде меня это оптимальная ситуация. Пожалуй, можно сказать, что физики, изучающие «темное», участвуют в революции Коперника в более абстрактной форме. Не только Земля физически не является центром Вселенной, но и наше физическое состояние далеко не центральное для большей части материи.
Выявить самые базовые элементы обычной материи было сложно, но ее исследование было куда более прямолинейным, нежели исследование темной материи, которая нас окружает. Несмотря на слабость ее взаимодействий, в ближайшие десять лет у ученых есть реальный шанс выявить и определить природу темной материи. И поскольку темная материя скапливается в галактиках и других структурах, грядущие наблюдения галактики и Вселенной позволяет физикам и астрономам изучать ее по-новому.
Что новые открытия о темной материи могут рассказать нам о происхождении Вселенной?
Никто не знает, с чего началась Вселенная, и понимание темной материи совсем необязательно принесет нам новые идеи. Но существование темной материи помогает нам понять, как Вселенная развивалась и как формировались структуры вроде галактик. Если темная материя имеет особенные свойства, они могут отразиться в размерах галактик и распределении.
Как насчет существования множественных вселенных — так называемой мультивселенной?
Темная материя и множественные вселенные на самом деле никак не связаны. Мы знаем о темной материи по ее эффектам на расширение Вселенной, наряду с другими вещами. Другие вселенные могут быть еще более темной материей в том смысле, что они настолько далеки от нас, что не повлияют на нас гравитационно ни разу за весь срок жизни вселенной. Но это также означает, что мы не сможем изучать их при помощи наблюдений. Я предпочитаю изучать «мультивселенную», которая находится здесь и сейчас.
Какова связь между темной материей и динозаврами, о которой вы писали в своей книге?
Мои коллеги и я считаем, что темная материя могла в конечном счете (и косвенно) быть ответственной за исчезновение динозавров. Мы знаем, что 66 миллионов лет назад объект шириной не меньше 10 километров упал на Землю из космоса и уничтожил наземных динозавров, а также три четверти других видов на Земле. Этот объект мог быть кометой из пояса Оорта, гипотетической области из комет и других тел за пределами орбиты Нептуна. Но почему эта комета была сбита со своей стабильной орбиты в поясе Оорта, никто толком не знает.
Наше предположение таково: во время прохождения Солнечной системы через среднюю плоскость галактики Млечный Путь, она столкнулась с диском темной материи, который выбил этот удаленный объект, что привело к катастрофическому столкновению. В нашей галактической окрестности основная часть темной материи окружает нас невероятно гладким и диффузным сферическим гало.
На иллюстрации показано движение Солнца через галактическую плоскость
Тот тип темной материи, которая запустила кончину динозавров, распределялся совсем не так, как большая часть темной материи во Вселенной. Этот дополнительный тип темной материи должен был оставить гало нетронутым, но его отличное взаимодействие привело к тому, что он конденсировался в диск — прямо в центре плоскости Млечного Пути. Эта тонкая область стала настолько плотной, что когда Солнечная система проходила через нее и Солнце осциллировало вверх и вниз по мере движения через нашу галактику, гравитационное влияние этого диска было невероятно сильным.
Ее гравитационное притяжение было достаточно мощным, чтобы выбить кометы на внешней границе Солнечной системы, где противодействующая тяга Солнца была слишком слабой, чтобы вернуть их на место. Сбежавшие кометы были выброшены из Солнечной системы или же — моментально — перенаправлены во внутреннюю Солнечной систему, где могли потенциально ударить Землю.
Если темная материя может объяснить гибель динозавров, может ли она также объяснит, с чего началась жизнь на Земле?
Материал, падающий на Землю, вроде комет и астероидов, почти наверняка сыграл роль в определении состава Земли и мог также сыграть роль в запуске ключевых жизненных процессов. Большинство таких теорий остаются спекулятивными, но вполне вписываются в картину мира и стоят затраченных на них усилий.
А если темная материя может отправить опасные кометы или астероиды в нашу сторону, стоит ли нам переживать?
Безусловно, иногда астероиды подходят довольно близко. Столкновения будут, несомненно, происходить, но их ожидаемая частота и величина остаются предметом дебатов. Ударит по нам что-нибудь, нанесет ли нам урон со временем и стоит ли нам об этом беспокоиться, это пока нерешенные вопросы. Лично я не считаю это величайшей опасностью для человечества.
Стоит ли нам переживать? Это зависит от масштабов, цены, порога нашего беспокойства, решений, которые принимает общество, и того, сможем ли мы справиться с угрозой. Такие угрозы нечасто вызывают ажиотаж, даже если возможен потенциальный ущерб. И хотя они действительно могут ударить и уничтожить крупный населенный центр, шансы на то, что это произойдет в обозримом будущем, ничтожно малы.
Ваш взгляд на космос как физика отличается от взгляда людей, далеких от науки. Какие неправильные выводы такие люди делают относительно Вселенной?
Их много, но позвольте мне сосредоточиться на самой темной материи. Учитывая то, что они никогда ее не видели (не чувствовали ее тепла или запаха), многие люди, с которыми я говорю, с удивлением узнают о существовании темной материи и находят ее весьма загадочной — или даже уточняют, нет ли в этом какой-нибудь ошибки. Люди спрашивают, как это вообще может быть возможно, чтобы большую часть материи — в пять раз больше обычного вещества — нельзя было обнаружить с помощью современных телескопов.
Лично я бы ожидала чего-то противоположного (хотя далеко не все так считают). Для меня было бы куда большей загадкой, если бы вся материя, которую мы видим своими глазами, была единственное существующей материей. С чего бы нам иметь идеальные органы чувств, которые ощущают практически все? Большой урок, который физики получили за много веков, заключается в том, как много скрыто от нашего взора. С этой точки зрения вопрос должен звучать иначе: почему все, что мы знаем, должно сходиться с плотностью энергии, которой она обладает?
Ощущаете ли вы во Вселенной некое величие? Или ваши научные знания ставят все на свои места?
Когда я начала концентрироваться на идеях, лежащих в основе моей книги, я была поражена и очарована не только нашими текущими знаниями об окружающей среде — местной, солнечной, галактической и вселенской — но и тем, как сильно мы вообще надеемся понять все на нашем крошечном островке здесь, на Земле. Меня также поразили многочисленные связи между явлениями, которые позволяют нам существовать вообще.
Чтобы вы понимали, моя точка зрения не является религиозной. Я не вижу необходимости наделять все целью или смыслом. Тем не менее я беспомощно ощущаю эмоции, которые мы склонны называть религиозными, когда пытаюсь осознать необъятность Вселенной, наше прошлое и как это увязывается вместе. По-другому начинаешь смотреть на дурацкую повседневность. Это новое исследование позволило мне иначе взглянуть на мир и на многие кусочки Вселенной, которые создали Землю — и нас.
