Этой проблемой на протяжении длительного времени занималось великое множество людей, и поэтому в такой книге невозможно отдать всем им должное. В конце концов, книга «Слон во Вселенной» – это не трактат для специалистов, и она не претендует на исчерпывающее изложение истории предмета. Это, скорее, общий взгляд на изучение темной материи во всем потрясающем разнообразии подходов. Личные истории многих ключевых фигур дают некоторое представление об изобретательности, настойчивости и порой даже упрямстве ученых, посвятивших свою профессиональную деятельность поиску решения величайших загадок природы. Я проведу вас, читатель, по далеким астрономическим обсерваториям и подземным лабораториям. Мы побываем на научных конференциях и побеседуем с нобелевскими лауреатами и с постдоками ^[2], только что защитившими диссертацию исследователями. К сожалению, из-за пандемии ковида не все поездки удалось осуществить, а многие интервью пришлось делать по телефону или в Zoom.

Нам предстоит охватить широкий круг вопросов, связанных с проблемой темной материи. Хотя бо́льшую часть из 25 глав можно читать совершенно независимо друг от друга, я расположил их в таком порядке, чтобы лучше представить масштаб загадки и показать развитие осмысления этой проблемы. Для начала в главе 1 мы познакомимся с Джеймсом Пиблсом – отцом популярной космологической модели с холодной темной материей (cold dark matter, CDM) и лауреатом Нобелевской премии по физике 2019 года, которой он был удостоен за вклад в теоретическую космологию. Затем, в главе 2 мы посетим лабораторию Гран-Сассо в Италии, чтобы получить начальное представление об экспериментальном подходе к решению проблемы темной материи. Ведь темная материя – это не одни лишь компьютерные модели и доклады на конференциях. В этот самый момент десятки ученых во всем мире заняты экспериментальной проверкой теории в надежде решить эту загадку.

После того как я подогрею ваш интерес этим поверхностным знакомством с теорией и экспериментами, в главе 3 мы вернемся на столетие назад, чтобы узнать про первые свидетельства пробелов в нашем понимании материального наполнения Вселенной. Гораздо позднее, в 70-х годах прошлого века, физики поняли, что невозможно обеспечить устойчивость галактик вроде нашей без привлечения огромных более или менее сферических гало из темной материи (глава 4). Первопроходцы – такие как астроном Вера Рубин – начали осознавать, что большие скорости вращения галактик можно объяснить только наличием в них гораздо большего количества вещества, чем реально наблюдается, – этому посвящена глава 5.

Сейчас именем Веры Рубин назван строящийся телескоп. После завершения строительства это будет самый мощный наземный телескоп, которому суждено сыграть главную роль в попытках астрономов создать трехмерную карту распределения галактик в пространстве. Этот проект представляет собой важный этап в изучении темной материи, и ему посвящена глава 6. Далее, в главе 7 мы рассмотрим происхождение химических элементов лишь для того, чтобы убедиться, что темная материя не может состоять из обычных атомов и молекул. Предмет главы 8 – решающая роль радио-астрономии в доказательстве существования темной материи. На этом завершается первая часть книги, посвященная в основном астрономическим исследованиям.

В первых двух главах второй части рассказывается о том, как во второй половине 70-х годов прошлого века астрономы были склонны считать, что таинственная субстанция состоит из относительно медленно движущихся («холодных») элементарных частиц. Эти частицы замечательным образом вписываются в теорию суперсимметрии, а она тянет на кандидата в Общую Теорию Всего, которую физики давно мечтают создать. Таким образом, темная материя стала играть важную роль еще и в физике элементарных частиц.

В главе 11 подробно рассказывается о компьютерных моделях эволюции крупномасштабной структуры Вселенной, которые, как казалось, подтверждали гипотезу, согласно которой темная материя состоит из слабовзаимодействующих массивных элементарных частиц (Weakly Interacting Massive Particles, WIMP). Но как раз во время активного продвижения этой гипотезы некоторые ученые стали высказывать сомнения в реальности существования темной материи. Согласно выдвинутой ими теории модифицированной ньютоновской динамики (Modified Newtonian Dynamics, MOND), которая обсуждается в главе 12, само наше понимание гравитации требует пересмотра – быть может, охотники за темной материей гоняются за химерами.

В главах 13 и 14 рассказывается об эффективном методе поиска – наблюдении так называемого гравитационного линзирования, очень незначительного отклонения лучей света силой тяготения массивных объектов. Наблюдения гравитационного линзирования позволили отвергнуть теорию модифицированной ньютоновской динамики и навели ученых на мысль о другом возможном кандидате в темную материю – так называемых массивных компактных объектах гало (Massive Compact Halo Objects, MACHO). Увы, поиски таких объектов не увенчались успехом, а в конце 90-х годов мы узнали о новой таинственной сущности – темной энергии. Оказалось, что пустое пространство расширяется с ускорением – это прямое следствие наличия в нем темной энергии. Это открытие и его следствия для состава Вселенной обсуждаются в главах 15 и 16.

Темная энергия и теория холодной темной материи были объединены в рамках единой космологической модели – так называемой ΛCDM-теории, где греческая буква лямбда (Λ) означает темную энергию. Убедительные свидетельства в пользу этой модели были получены в результате исследования фонового реликтового излучения (которое иногда называют «эхом Большого взрыва»). Более того, как мы узнаем в главе 17, сравнение распределения яркости реликтового излучения с крупномасштабной структурой Вселенной позволяет получить подробную картину эволюции Вселенной, в которой темной материи отведена безусловно важная роль. Мы до сих пор не знаем, что представляет собой темная материя, но теперь уже ясно, что это один из ключевых ингредиентов космологии.

Третья часть посвящена современным и будущим поискам темной материи, а также некоторым проблемам современной космологии. В главах 18 и 19 рассказывается об экспериментах по непосредственному обнаружению элементарных частиц темной материи с использованием самых современных технологий и сверхчувствительных приборов, которые размещаются глубоко под землей в пещерах и туннелях, чтобы исключить проникновение космических лучей, могущих исказить результаты измерений. Удивительным образом сами космические лучи при этом несут в себе свидетельства распада частиц темной материи – об этом мы расскажем в главе 20.

В главах 21 и 22 рассматривается ряд вызывающих тревогу проблем, которые в последнее время возникли в связи с ΛCDM-моделью. Пока что никто не знает, насколько эти проблемы серьезны, но теоретики уже рассматривают ряд альтернативных идей и гипотез – о некоторых из них говорится в главах 23 и 24. Заключительная глава посвящена будущим исследованиям, но никто не может предсказать, какие конкретно эксперименты и обсерватории смогут дать окончательный ответ на столетнюю загадку темной материи. Давайте просто будем надеяться, что не придется ждать еще целую сотню лет.

Как научный журналист, которого интересует все, что находится за пределами земной атмосферы, я, пожалуй, делал больший упор на астрономию, чем на физику элементарных частиц, хотя и старался сохранить некоторый баланс. Я также уделяю больше внимания прошлым достижениям, устоявшимся идеям и текущим экспериментам, а не новым спекулятивным теориям, неподтвержденным результатам и возможным будущим экспериментам. Если эти новшества выдержат проверку временем, то вы, несомненно, прочтете о них в будущей книге.

Поиски темной материи продолжаются, и хотя они пока еще не дали результатов, но они уже помогли нам лучше понять множество разных астрономических и физических явлений – от быстрого вращения галактик, гравитационного линзирования и крупномасштабной структуры Вселенной до рождения атомных ядер в процессе Большого взрыва и характерных особенностей структуры «эха творения». Эти поиски также послужили толчком к созданию других перспективных теорий, стимулировав появление гипотез о суперсимметрии и пока еще не открытых элементарных частицах. В попытках установить истинную природу большей части содержимого нашей Вселенной ученые смогли раскрыть некоторые из самых сокровенных тайн природы и убедиться в потрясающей сложности мира, частью которого мы являемся.

Часть I
Ухо

1. Материя, но не такая, какой мы ее знаем

Почетный профессор имени Альберта Эйнштейна Принстонского университета, член Американского физического общества и Королевского общества, лауреат Нобелевской премии по физике 2019 года и «крестный отец» теории холодной темной материи Филлип Джеймс Эдвин Пиблс медленно встает из-за стола, идет к расположенной на противоположной стене книжной полке и берет с нее две пустые пластиковые бутылки1.

Он дует над открытым горлышком более объемной из них. Комнату наполняет низкий дрожащий звук. Затем Пиблс подносит к губам бутылку меньшего размера. Мы слышим другой звук, гораздо более высокий. «Принцип тот же самый, – говорит Пиблс с характерной кроткой улыбкой на лице. – Каждому размеру соответствует своя предпочтительная частота, и наоборот».

Постойте! Но ведь за такое простое соображение не дают Нобелевскую премию!

Ну, если вы успешно примените его к звуковым волнам в новорожденной Вселенной, то могут и дать. Если это позволит доказать, что устойчивость галактик невозможна без таинственной темной материи. И если вы заложите основу современной стандартной космологической модели.

Итак, во вторник, 8 октября 2019 года, в пять часов утра Пиблсу позвонили из Шведской академии наук. Он разделил премию с двумя другими учеными, но при этом получил половину всей суммы – около 910 000 долларов США – «за теоретические открытия в области физической космологии». «Обалдеть!» – сказала его жена Элисон, услышав эту новость. Затем Пиблс совершил ежедневную полуторакилометровую прогулку от дома до кабинета на втором этаже Джедвин-холла, и его 84-летняя голова была полна беспорядочных мыслей.

Ведь Джим Пиблс и представить себе не мог, что станет космологом. Джимми родился в 1935 году в канадском городе Сен-Бонифас – сейчас это квартал Виннипега. Он любил мастерить всякие электрические штуковины, экспериментировать с порохом и был фанатом паровозов. Конечно, он выходил на улицу, чтобы посмотреть на безмолвный танец северного сияния на зимнем небе провинции Манитоба, и, разумеется, знал, как найти Полярную звезду. Но астрономия никогда не волновала его технический ум. Когда Пиблс впервые столкнулся с космологией в аспирантуре, она показалась ему «жутко нудной, надуманной и неправдоподобной», как он однажды сказал астроному Мартину Харвиту2.

Все постепенно изменилось после его приезда в Принстон осенью 1958 года. Пиблс был аспирантом в исследовательской группе блестящего физика Роберта Дикке. По вечерам в пятницу Дикке устраивал семинары, на которых студенты, постдоки и профессора свободно обсуждали все интересовавшие их научные вопросы. Поначалу Пиблса смущали широкие познания других участников в области квантовой физики или общей теории относительности, но потом он стал дорожить этими неформальными встречами, и не только потому, что они порой заканчивались распитием пива. Увлеченность Дикке космологией оказалась заразительной.

Дэвид Уилкинсон (слева), Джеймс Пиблс (в центре) и Роберт Дикке (справа) в начале 1960-х годов рядом с созданным ими радиометром для исследования фонового реликтового излучения

В 1962 году Пиблc защитил диссертацию на тему возможного изменения электромагнитной силы со временем. Он остался в Принстоне, работая в должности постдока в сотрудничестве с Дикке и двумя другими постдоками, Дэвидом Уилкинсоном и Питером Роллом. На нечеткой фотографии 1960-х годов, которую он демонстрировал во время своей нобелевской лекции, Пиблс высокий и стройный, с темными прямыми волосами, в очках и исландском свитере. Путь от аспирантуры до торжественного приема в Стокгольме был очень долгим.