У 2011 році в Новосибірському державному університеті на кошти мегагранта уряду РФ була створена лабораторія космології і елементарних частинок, яка займається пошуком темної матерії, проблемами антиматерії, підготовкою фахівців з космології і астрофізиці. Будується детектор для виявлення темної матерії.
Про деякі результати наукової роботи та проблемах, пов'язаних з вивченням темної матерії і темної енергії, розповідає її завідувач - професор університету Феррари (Італія), провідний науковий співробітник ІТЕФ (Москва) Олександр Долгов.
- Олександр Дмитрович, в який момент теоретики зрозуміли, що без темної матерії і темної енергії в описі Всесвіту не обійтися?
- На сьогоднішній день є багато астрономічних даних, причому досить різноманітних, які однозначно свідчать, що крім звичайної речовини - протони, нейтрони, електрони - існують в набагато більшій кількості дві інших субстанції: темна матерія і темна енергія. Є деякі спроби обійтися без цього, без введення в теорію цих субстанцій, наприклад, без темної матерії, але мені здається, що такі теорії абсолютно не працездатні, тому що не пояснюють все ті явища, які можна спостерігати на небі. А зараз бачать дуже багато і найближчим часом побачать ще більше, тому що продовжують будуватися нові пристрої - це і лічильники космічного випромінювання, і пошук гравітаційних хвиль, нейтрино телескопи і т.д., в тому числі і звичайні телескопи зовсім фантастичною чутливості.
Ще до війни (в 30-і роки минулого століття) Ян Оорт, і, головним чином, Фріц Цвіккі звернули увагу, що швидкості зірок в галактиці, а також галактик в скупченнях занадто великі, щоб їх можна було пояснити, виходячи з спостережуваних сумарних мас речовини. За розрахунками Ф.Цвікке вийшло, що цієї ненаблюдаемой матерії повинно бути в кілька разів більше, ніж видимої. Але про це благополучно забули, інтерес до проблеми пожвавився в 1964 році після робіт Прінстонської групи на чолі з Джимом Піблс і естонської групи астрономів: Яана Яан Ейнасто, Антса Каасик і Енна Саара.
Якщо ми подивимося на Сонячну систему, то швидкість планет тим більше, чим ближче вона до Сонця. Меркурій рухається швидко, Венера повільніше, Земля ще повільніше і т.д. Однак в галактиці, в скупченнях галактик ситуація інша - там швидкість зірок або частинок міжзоряного газу в міру віддалення від центру спочатку зростає, а потім перестає і виходить на постійну криву - плоску ротаційну криву, і майже не змінюється далеко за межами видимих меж галактик. Аналогічним чином йде справа і для супутників галактик, таких, як Магелланові хмари. Це означає, що є невидима речовина, щільність якого слабо падає в міру віддалення від світиться центру, при цьому воно концентрується навколо нього.
- Що, по сьогоднішнім уявленням, може бути темною матерією?
- Поки що про форми темної матерії можна говорити гіпотетично. Її ділять на два класи: по-англійськи перший називають MACHO (Massive Astrophysics Compact Halo Objects) - мабуть, це невідомі стабільні масивні об'єкти астрофізичного масштабу. В теорії їх цілий "зоопарк", і теорія передбачає, що такі об'єкти повинні бути, але поки ми їх не бачимо. Це можуть бути і остиглі зірки, які прийнято називати коричневими карликами, і планети, "дрейфують" в міжзоряному просторі без зв'язку з якимось певним світилом, і "чорні діри". Швидше за все, це об'єкти, що складаються зі звичайного речовини, але майже не випромінюють світло, тому їх можна виявити тільки за гравітації.
Інший вид темної матерії називають WIMP (Weakly Interactive Massive Particles, слабовзаємодіючих масивні частинки), що з англійської перекладається як "слабак". Маса цих частинок теоретично може досягати 1016 маси протона, але є гіпотеза, що вони можуть бути значно легше електрона.
Темну матерію бачать поки тільки по її гравітаційному взаємодії, ніяких інших "твердих" проявів немає. Деякі дослідники говорять, що при взаємне знищення, анігіляції цих частинок може дати якесь електромагнітне випромінювання. Є вказівка на його спостереження, але поки достовірного висновку зробити не можна. Є інший спосіб класифікації темної матерії - на гарячу, холодну і теплу. Гаряча - це досить легкі частинки, які на ранній стадії еволюції Всесвіту були в повному контакті з фотонами, з електронами, позитрона, і коли вони перестали в якийсь момент з ними взаємодіяти, вони розлетілися практично зі швидкістю світла, і летять до сих пір , але вже зі значно меншими швидкостями.
Холодні частинки темної матерії, навпаки, добре описують спостережувану великомасштабну структуру - я маю на увазі галактики, їх скупчення, але поки що передбачення цієї теорії в деталях дещо розходяться спостереженнями.
Можливо, існує "тепла" темна матерія, в ній ці недоліки зникають. Маса частинок такої матерії приблизно в 100 разів менше маси електрона. Зараз це дуже популярна схема, і тим більше, є вказівка, що такі частинки існують. Зокрема, про це говорять вимірювання так званого реліктового випромінювання - радіохвиль з температурою близько 2,7 кельвінів - це практично фотознімок Всесвіту, коли їй було 300 тис. Років від роду. За сучасними уявленнями вік Всесвіту оцінюється в 13-14 млрд років.
Ще є так званий аксіон - це частинка дуже легка, в мільярд разів легше електрона, але вона холодна, тому що ніколи не була "гарячої" на відміну від нейтрино. Теорія передбачає цю частку, вона, як один з варіантів, дозволяє вирішити деякі проблеми фізики елементарних частинок, тому її називають природним кандидатом на роль темної матерії.
- На який тип темної матерії розрахований прототип детектора, побудований у вашій лабораторії?
- У нашій лабораторії будується детектор для пошуку щодо легких частинок - не сотні і тисячі, а десятки мас протона. На це інші детектори не дуже-то "заточені". Є проекти, що ми будемо співпрацювати з однією з лідируючих в світі груп, LZ, яка базується в США. Щоб позбутися від фону космічного випромінювання, необхідно помістити детектор глибоко під землю, і це дуже дорого, але у співпраці з групою LZ цієї та низки інших проблем можна уникнути.
Найкраще місце для установки детектора в Європі, і, може бути, в світі - Гран-Сассо в Італії. Там практично відсутня природна радіоактивність. На жаль, у нас на Кавказі граніти дають такий фон, що, як хтось висловився, ще трохи - і можна добувати уран.
У нашій лабораторії є свої унікальні розробки, пов'язані з тією базою, яка є в Інституті ядерної фізики ім. Г.І.Будкера, наприклад, унікальний нейтронне джерело, який дозволяє відкалібрувати наш детектор, запаси благородних газів і багато іншого.
Перший наш детектор мав обсяг 8 літрів рідкого аргону, як ми говоримо - відро, на ньому можна було відпрацювати всю електроніку, як працює лавинний детектор. Дещо працювало добре відразу, дещо не дуже, були виявлені деякі недоліки приладів. Зараз є вже працює "бочка", яка має обсяг приблизно 150 літрів, але потрібен все-таки кубометр.
Детектор вже можна використовувати, по-перше, (хоча там потрібно ще багато працювати) для детектування нейтрино - поки це реальна можливість виявити так зване когерентне розсіювання нейтрино, коли нейтрино малої енергії взаємодіє цілком з ядром атома і йде, не виробляючи електрона. Зазвичай нейтрино при зіткненні народжує електрон, і це легко реєструвати. Тут же набагато важче - по ядру стукнули, воно почало "смикатися". Наш детектор до цього чутливий, і це відкриває дуже цікаві перспективи, зокрема, для дистанційної діагностики атомних реакторів - це найближчим практичне застосування цієї справи. Є перспективи і для медицини - миттєвий рахунок електронів і позитронів дає можливість робити дуже швидку томографію.
Для експериментів з детектування темної матерії, як я вже сказав, потрібен обсяг в 1 кубометр - але це зовсім інші гроші, можливо, допоможе НГУ, ІЯФ - все-таки це проект світового класу. Не знаю, яка буде ситуація з мегагрантом, з його продовженням, але було б шкода кидати таку багатообіцяючу розробку.
- Наскільки можна судити за науковими публікаціями, темної енергії у Всесвіті ще більше, ніж темної матерії ...
- Якщо перейти до темної енергії, то це зовсім дивна річ - щось розштовхувати речовина у Всесвіті. Розробки теорій темної енергії пов'язані якраз з тим, щоб пояснити це розширення. Зовсім недавно розширення Всесвіту розуміли просто як якийсь рух за інерцією після Великого вибуху. Відповідно, може існувати відкрита Всесвіт, коли розширення ніколи не припиниться, або замкнута, коли розширення в якийсь момент зміниться стисканням, як якщо б кинутий камінь упав назад.
Зараз же картина така, як ніби ми кинули камінь, і він летів-летів з уповільненням, і раптом у нього в якийсь момент включився ракетний двигун, і він полетів зі '' свистом '', прискорюючись. Це сталося щодо "недавно" - приблизно 5 мільярдів років тому. З того моменту Всесвіт розширилася всього лише в два рази. Про це свідчить так зване "червоне зміщення" - випромінювання галактик у міру їх розбігання зсувається в діапазон все більш довгих хвиль, вони як би "червоніють". Так ось, в 2011 році американці Сол Перлмуттер, Брайан Шмідт і Адам Рісс зібрали докази того, що Всесвіт розширюється з прискоренням, спостерігаючи наднові типу Іа - виявилося, що ці зірки набагато менш яскраві, ніж очікувалося при звичайному сповільнюється розширенні. Це означає, що вони знаходяться далі, тобто розліталися швидше, з прискоренням.
Є кілька підходів до розуміння природи темної енергії. Наприклад, це якесь скалярний поле (тобто кожній точці простору відповідає якесь значення темної енергії), яке викликає антигравітацію. У цьому сенсі антигравітація цілком природна, але я хотів би підкреслити, що ніякої об'єкт кінцевого розміру антигравітацію не створює. Це може бути тільки для всього Всесвіту, проявляючись на космологічних масштабах. Таке поле називають квінтесенцією. Це поле більш-менш рівномірно розподілено у Всесвіті, при цьому щільність темної енергії або слабо змінюється з часом або залишається постійною (що, взагалі кажучи, виглядає вкрай незвично). Наприклад, якби ми мали посудину з газом, то при розширенні судини щільність частинок в ньому падала б. А якби посудину був заповнений темною енергією, то при розширенні її щільність залишалася б незмінною або майже незмінною. А у всьому обсязі судини повна енергія зростала б. Те ж саме відбувається і у Всесвіті - виходить, що темної енергії там стає все більше і більше - Всесвіт-то розширюється! Цікаво, що це не суперечить закону збереження енергії, треба тільки не забувати про гравітаційне поле.
Є ще так звана вакуумна енергія, або космологічна стала, яка створює буквально такий же ефект, але, на відміну від скалярного поля, строго не змінюється з часом. За сучасними уявленнями, вакуум є скоріше вельми складною середовищем, де постійно народжуються і вмирають частки, ніж абсолютною порожнечею. Це середовище може, навіть повинна мати ненульову енергію. Більш того, щільність енергії, розрахована виходячи з масштабів фундаментальних взаємодій, відрізняється від необхідної спостереженнями величини темної енергії, по крайней мере, в 10 в сорок п'ятого ступеня раз (це число записується, як одиниця з 45 нулями; для порівняння мільярд має всього 9 нулів ). Це протиріччя становить одну з найглибших проблем фундаментальної фізики. Вакуумна енергія має рівняння стану, коли тиск дорівнює щільності енергії з протилежним знаком. Але спостереження вказують на те, що тиск дорівнює не просто щільності енергії з протилежним знаком, а що коефіцієнт, дійсно, негативний, але можливо, більше одиниці за абсолютною величиною.
Так ось, якщо коефіцієнт менше -1, виникає так званий "фантом" В цьому випадку Всесвіт буде не просто з прискоренням розширюватися - щільність енергії цього (розштовхувати) поля буде рости з часом. У якийсь момент вона стане нескінченною і все розірветься на частини - не тільки галактики, але і зірки, і навіть атомні ядра і, можливо, елементарні частинки.
Третя гіпотеза, що пояснює прискорене розширення Всесвіту, полягає в тому, що справа не в темній енергії, а в тому, що на великих відстанях гравітація діє інакше, ніж описується в загальній теорії відносності Ейнштейна. Коли з'явилися перші теорії такого типу, ми з моїм японським колегою відкрили, що в них міститься нестійкість і весь Всесвіт розвалиться з вибухом, після чого модифіковану гравітацію ще модифікували, і там виникла досить цікава фізика. Зокрема, там порушується теорема Берґофф-Єнсена про те, що будь-яке кінцеве тіло притягує своїм гравітаційним впливом. У цих теоріях кінцеве тіло може і відштовхувати, створюючи антигравітацію.
- Чи можливо виявити темну енергію експериментально?
- Добре б. Зараз публікуються роботи, де передбачається, що темна енергія якось взаємодіє з темною матерією, тоді, може бути, вона буде неоднорідне розподілено, і тоді можна буде спостерігати її астрономічні прояви. Крім того, за рахунок можливого взаємодії з темною матерією з'являються шанси прямий реєстрації темної енергії, але ми поки дуже далекі від цього.
Якщо темна енергія - це вакуумна енергія, яка ні з чим не взаємодіє, ніяк не проявляється, а тільки розштовхує Всесвіт, то тут перспектив особливих немає. У цьому сенсі набагато цікавіше модифікована гравітації, яка має дуже чіткі і дуже яскраві передбачення. Але я все-таки думаю, що все влаштовано якось простіше, хоча ми напевно ще не все знаємо. Як би там не було, поки немає іншого шляху, окрім як з'ясувати природу темної енергії і темної матерії за астрономічними даними.
Зараз шукають прояви темної матерії всередині зірок, в тому числі всередині Сонця, про яке ми дуже багато знаємо завдяки гелієвої сейсмології - спостерігаються коливання поверхні Сонця, тобто солнцетрясенія, за їх характеристиками вивчається внутрішня будова світила. Точність спостережень зростає, і, можливо, в кінці кінців, можуть бути виявлені деякі аномалії, що свідчать, що в Сонце є незвичайне джерело енергії за рахунок анігіляції часток темної матерії.
Добре б ще пожити мільярдів п'ять років, і тоді можна багато чого довідатися ... Хоча розвиток в цій області обіцяє бути абсолютно фантастичним, будуються нові телескопи, тому може бути, вдасться багато чого довідатися, і чекати мільярди років не доведеться.
interfax-russia.ru
Фотографії Антона Уніцина.
Що, по сьогоднішнім уявленням, може бути темною матерією?
На який тип темної матерії розрахований прототип детектора, побудований у вашій лабораторії?
Чи можливо виявити темну енергію експериментально?
