Существуют ли звезды... из темной материи?
Подумайте обо всем, что существует во Вселенной. Гигантские космические печи вроде нашего Солнца. Газовые гиганты, рядом с которыми наша планета будет просто карликом. Строки астероидов, мчащихся через пустое пространство. Далекие звезды за тысячи световых лет от нас. Все это составляет меньше 5% массы Вселенной. Где остальное? Это пока загадка. Наша гигантская Вселенная могла сформироваться при помощи частиц темной материи, которых мы даже не имели возможности наблюдать. Ученые пытаются доказать их существование, а вместе с ними и существование «темных звезд».
Существует один элемент, который может составлять целых 25% Вселенной. Мы не можем его почувствовать или увидеть. Он не взаимодействует со светом. Он даже не состоит из привычных нам строительных блоков - электронов и протонов внутри атомов, из которых состоит вся материя.
Это «темная материя», и ученые пытаются понять, чем она является, десятки лет. Астрофизик-теоретик Кэтрин Фриз - одна из тех, кто охотится на эти загадочные кирпичики бытия. Тридцать лет назад ее теория о невидимом клее, который помог сформироваться Вселенной, привела к строительству подземных ускорителей частиц по всей Земле, вроде машин в ЦЕРН. Что же они ищут? Эти частицы называются вимпами (WIMP), и, по мнению Фриз, звезды, состоящие из этого призрачного материала, могли помочь космосу образоваться миллиарды лет назад.
Вимпы (слабо взаимодействующие массивные частицы) - это большие частицы, не взаимодействующие с электромагнитными силами. Это делает их «темными» - их нельзя наблюдать, используя электромагнитные сенсоры, при помощи которых люди осматривали Вселенную последние сто лет.
Но благодаря теории суперсимметрии - из которой следует, что у каждой известной частицы есть «антивещественный» эквивалент, - в нашем текущем атласе частиц появилась брешь, и вимпы могут превосходно эту брешь заполнить. Они повсюду, но не оставляют никаких следов, потому что неохотно взаимодействуют с обычными частицами, окружающими их.
«Что ж, если мы возьмем все объекты в нашей повседневной жизни - ваше тело, стул, на котором оно сидит, воздух, которым дышит, стены вокруг нас, добавим планеты, добавим звезды - все это состоит из атомов, которые мы понимаем, но вся эта атомная материя составляет лишь 5% нашей Вселенной - пять процентов! Поэтому есть еще 95%, которые мы должны понять. И вот здесь появляются темная материя и темная энергия. Когда они проходят через вас - миллиарды частиц каждую секунду - вы этого не замечаете, потому что слабое взаимодействие реально слабое, ничего не происходит».
Как же найти то, что у вас нет никакой возможности увидеть?
«Хорошая аналогия для темной материи - это ветер. Мы его не видим, он невидимый, и все же мы уверены, что он существует, потому что листья шуршат. То же самое обстоит и с темной материей. Мы видим, что она стягивает вещи... это материя, а значит, она чувствует гравитацию. Она сбивается в кучу и стягивает вещи. Мы знаем, что она существует, по этой причине, но не знаем, из чего состоит».
Если вимпы существуют - а Фриз уверена, что да, - они должны были появиться вскоре после Большого Взрыва.
Фриз исследовала эту теорию с коллегами-астрофизиками Паоло Гондоло из Университета штата Юта и Дугом Сполиаром из Университета Стокгольма в Швеции. Они искали первые «темные звезды», которые сформировались в ранние дни Вселенной.
Несмотря на свое название, эти древние звезды были ослепительны - они жили аннигиляцией темной материи. И некоторые из них могли бы жить в дальних уголках Вселенной, ослепительно сияя.
«Темные звезды начинали с таких же масс, что и Солнце, но могли расти больше и больше, пока не становились массой в миллионы солнц и в миллиарды раз ярче».
«Следующий большой телескоп, космический телескоп Джеймса Уэбба, продолжение знаменитого космического телескопа Хаббла, сможет найти темные звезды. Сделав это, мы не только найдем совершенно новый тип звезд, что уже само по себе удивительно, но и докажем, что они живут за счет вимпов. Так что проблема решится сама по себе».
И это может означать конец для одной из самых сложных задач в современной науке. Ученые пытались решить проблему темной материи с 1930-х годов, но намеки на ее существование появились задолго до этого.
«Когда люди изучали движение Солнца и планет вокруг, они поняли, что центральные планеты движутся довольно быстро, но чем дальше от центра, тем медленнее движение», говорит Фриз.
«Поэтому они подумали: хорошо, это законы Ньютона, мы их знаем, это законы природы, давайте посмотрим на структуры побольше - на галактики и скопления галактик».
«Но они нашли не это: они обнаружили, что по мере продвижения от центра галактики все движется с одинаковой скоростью. Это было довольно странно».
Фриз считает, что звезды и планеты, которые мы видим в ночном небе, являются кульминацией в длинной цепочке реакций, которые начались с этих слабо взаимодействующих частиц. И она говорит, что без частиц темной материи Вселенная не смогла бы стать такой, какой является. «Структуры, в которых мы живем, галактики и скопления галактик, не смогли бы сформироваться, если бы темная материя не сформировала космическую сеть, в которой мы живем».
«То есть сначала темная материя собралась воедино, а затем обычные атомы, нейтроны и протоны и так далее, вместе с темной материей сформировали протогалактики, которые привели к появлению галактик, планет и звезд. Но для начала образования этой структуры необходима темная материя».
