ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ. Астрономия на QWERTY
[музыка] Привет! И у вас на канале "Астроном" ведущий научно-популярного канала QWERTY. Пулково, лето, май-июнь — буквы. Самое прекрасное время: цветет сирень, расцвели каштаны, только что отошла черемуха, по ночам поют соловьи. Единственное плохо, что белые ночи. Наблюдатель на ночь продолжается сейчас около двух часов. И да, это благодаря тому, что теперь, усилиями Игоря Измайлова, телескоп работает на ПЗС-матрицы и в режиме робота, поэтому даже в белую ночь несколько часов можно наблюдать. Раньше мы на это время, когда наблюдали, в фотографическом режиме, мы останавливались: это время было ненаблюдательным совсем.
Прежде чем я начну говорить о сегодняшней нашей теме, мне хотелось бы сказать о одной новости, которая меня тревожит. Может быть, может, у кого-то еще, кроме меня. У нас теперь в главном законе страны появится Господь Бог. Вот это меня, честно говоря, немножко настораживает. Сейчас скажу почему. Дело в том, что я думаю, вы согласитесь со мной: если вы какой-то религии придерживаетесь, вы не можете частично в нее верить, а частично — нет. Можете сказать, что вот первую заповедь принимаю, а там, допустим, пятую — нет. Уж если вы избираете какую религию, то вы должны отдаться ей целиком.
Ну а что, если так? Мы знаем, что согласно Библии, Вселенная была сотворена за шесть дней Господом Богом. Где же большой взрыв? Где же все эти проблемы, над которыми столько народу работает? Оказывается, они сейчас одним махом окажутся у меня в законе. Ну, я понимаю, что все не так драматично, в appstore никто не будет сейчас закрывать обсерватории и так далее. Но тем не менее, все равно. Получается, что на первом месте законодательно находится Господь Бог, а телескопы, наука, инструменты... Новый телескоп, о которых у нас умеет полстолетия, присоединение костромичи с СКМ сообществу, вступления в ряды исключено обсерваторию, все это можно отложить. В общем, получается какая-то такая не очень для меня, как ученого, радостная картинка: какой-то древний Египет. Честно, на главной площади пирамида с фараоном, ну и все остальные свойства этого замечательного государства.
Ну а теперь о сегодняшней теме. После карантина, который окончился и в Соединенных Штатах, и вообще более-менее заканчивается во всем мире, возобновились работы по созданию в Южной Дакоте самого крупного на сегодняшний день приемника для поиска WIMPs. Обо всем по порядку. Во-первых, хотя при происходит в Соединенных Штатах, Россия в этом проекте участвует, и это очень приятно отметить. Это один из немногих международных проектов мощных, в которых участвует Россия. Во-вторых, что такое WIMPs? Это тоже довольно любопытная вещь, и тут надо начать довольно таки издалека.
WIMPs — это гипотетически возможные несуществующие частицы темного вещества. И тут сказочка начинается. Сначала, многие из вас, конечно, знают вот об этом замечательном пироге, который у вас сейчас на экранах. Это наши нынешние воззрения о Вселенной, которая, как получается, состоит из видимого нами барионного вещества всего примерно на 5 процентов, а звезды и прочие планеты, там, их совсем мало — это вообще составляет 3 десятых процента от всего вещества Вселенной.
Ну, огромная часть, самая большая, и мы сейчас не будем говорить, это то, что называется темной энергией. И тут уж вообще пока непонятно, в чем тут дело. Если тут вообще какой-то материальный носитель, это большая часть вот этого пирога. Если говорить о веществе, то все равно выходит, что нашего обычного барионного вещества раз в пять меньше, чем какого-то другого вещества, неизвестно какого, неизвестно где находящегося. И тем не менее, совершенно точно присутствующего. Вот эти самые WIMPs и есть кандидаты на то, чтобы быть носителем этого непонятного вещества.
Вы спросите: а если мы никогда его не видели и даже не знаем, откуда он вообще? Это очень интересная страничка истории, которая продолжается уже около ста лет. Начать с того, что это вещество действительно сказывается на больших масштабах, его действие несомненно проявляется на очень крупных космических расстояниях.
Ну, например, вы знаете, что звезды образуют такие звездные острова и города, называемые галактиками. Мы живем в такой галактике тоже, да, в галактике около 200 по крайней мере миллиардов звезд. На эта галактика вращается. Это тоже не так легко заметить. В одной повести Стругацких был такой анекдотический персонаж — журналист Бульварный, который был известен фразой: "Я впервые посмотрел на небо и заметил, что галактика вращается".
Юра заключается в том, что заметить это очень трудно. Посмотрев на небо, вы только увидите, что звездное небо. Что Земля вращается, зависишь, вращается галактика. Можно, наблюдая скорости тысяч и миллионов звезд — это крайне трудная кропотливая инструментальная работа. Вы должны измерить с одной стороны лучевые скорости методом Доплера вестером и собственное движение, поперечные скорости. Для этого нужно еще хорошее разрешение и большая точность коллекционных измерений, и тогда вы можете статистически определить скорость гигантского величества звезд. Можно понять, какая скорость преимущественная, и вот таким способом было открыто вращение галактики.
Но когда она была открыта, обратили внимание на очень непонятную вещь. Дело в том, что, узнаете, во вращающемся теле, которое вращается вокруг центра тяжести общего, ну как планета в солнечной системе, и подчиняется законам Кеплера. Законы Кеплера связаны с законами Ньютона: линейная скорость вращения такого объекта зависит от корня квадратного из расстояния до центрального тела системы. Получается, чем дальше мы отдаляемся от центра галактики, тем медленнее должны быть скорости звезд. А получилось совсем не так! Оказалось, что скорость звезд практически постоянна на очень больших расстояниях от центра галактики.
Вот как вы сейчас видите на картинке, которую мы сейчас вам показываем. Это означает только одно: что там есть какая-то невидимая масса, которая заставляет эти области галактики вращаться с такой большой скоростью. Вот эту невидимую массу тут выпрямились искать, но ничего не увидит. Затем, очень похожая вещь обнаружилась, когда стали наблюдать скопления галактик. Вот эти галактики, вроде нашей, их очень много во Вселенной, тоже несколько сот миллиардов, по крайней мере, они тоже не поодиночке существуют, образуют скопления и даже сверхскопления, где-то там, тысячи, десятки тысяч галактик в одном скоплении.
И вот, когда стали измерять скорость и галактик в скоплении, как можно, en el таком же способом, как мы измеряем скорости звезд, только при этом поперечное смещение гораздо труднее, потому что галактика гораздо дольше. Так вот, когда стали эти скорости измерять, оказалось, что получается такая же история: скорость галактик значительно больше, чем могли бы быть при таких их плотностях.
Ну, попросту говоря, при таких скоростях галактики давным-давно должны были бы разлететься из этого скопления, покинуть его. Они почему-то там продолжают сидеть. Опять-таки единственное объяснение разумное звучало в том, что там есть какая-то мощная масса, притягивающая, которая держит. Но масса эта была невидима. Следующие доказательства оказались, что между галактиками в скоплениях существует очень горячий, нагретый до миллиардов градусов газ — межгалактический горячий газ, который излучает в рентгеновском диапазоне.
Вот когда начали летать космические рентгеновские телескопы, телескоп Чандра, вот сейчас запущен наш замечательный проект спектр рентген-гамма телескопа, которая наблюдает в имперском кааба зоне рентгеновские лучи — не доходит до Земли, их поглощает атмосфера. Поэтому для того чтобы видеть Вселенную в деревенском свете, надо улетать за атмосферу. Так вот, эти телескопы померили температуру по излучению, по свойствам излучения, померили температуру на галактическом горячем газе в скоплениях.
И опять-таки, если, ну, по известным вам из школы газовым законам можно понять, температура связана с давлением, с объемом, опять-таки получилось, что при таких температурах этот горячий газ должен бы давным-давно разлететься в разные стороны. Он не разлетается. Это, опять-таки, значит то же самое: там должна быть масса, которая его держит и не пускает. Причем, замечу, что все эти оценки и по галактике, по скоростям вращения галактики, и по горячему галактическому газу, и по скорости галактики в скоплениях, получались очень хорошо согласованы. И оценки массы как раз получались — примерно в пять раз больше темной массы, чем массы звезд, которые мы видим глазами.
Еще более веское соображение появилось, когда стали изучать карту реликтового излучения. Вот она сейчас перед вами — это мгновенный фотоснимок выделения вещества во Вселенной. Самое первое, можно сказать, — за существования Вселенной примерно за 300-400 тысяч лет после большого взрыва. В это время еще не должно было быть ни галактик, ни планет, ни звезд. Благодан наша вот такая вот однородная масса, из которой потом все это стало формироваться. Но в этой массе были неоднородности, из-за которых, собственно говоря, потом и начались конденсации звезд и галактик. И вот эти неоднородности мы видим на карте реликтового излучения.
Так вот, эти неоднородности страшно малы, и они составляют примерно 10 в минус 5 степени — порядка 1/100 тысячной доли от общего уровня. Это страшно маленькие относительно неоднородности. Получается, что при таких маленьких неоднородностях, если посчитать, выходит, на то, чтобы из таких маленьких неоднородностей сконденсировалась была светящаяся Вселенная, галактики и звезды, не хватило бы. Мы сейчас не существовали бы, не было бы ни звезд, ни планет, ни галактик. Вещество еще не успело бы собраться вместе. Значит, должен был бы быть какой-то тяготеющий агент, который ускорил этот процесс образования, который привел бы к тому, что все-таки вещество успела сконденсироваться и дать нам нашу действующую Вселенную. Этим агентом и оказалась темная материя.
Опять-таки количественные оценки привели к тому, что мы получили ту же самую волшебную цифру 15. И приблизительно как только все это было осознанно, осознанно было это не так уж давно. Эти проблемы в полной мере встали перед астрономами уже к концу двадцатого века. Естественно, возник вопрос: где это все, это огромное количество какой-то материи, не излучающей, не видимой, поглощающей свет? Потому что иначе мы все это видели бы в виде каких-то изменения световых потоков. Мы этого ничего не видим.
Был страшно интригующий вопрос, он остается таким, потому что до сих пор носитель темной материи не найден. Тут могут быть несколько возможных моделей. Одна из них довольно скучна и заключается в том, что это просто какое-то откуда-то взявшееся гигантское количество не плыли только платки. Было бы видно гигантское количество довольно крупных объектов. Это могут быть планеты, могут быть просто камни, могут быть коричневые карлики. Могут быть даже, если забыть про взрыв, это могут быть просто черные карты, могут быть погасшие звезды, которые в огромном количестве где-то там, непонятно где, между галактиками адентиируются. Для таких объектов придумано характерное название MACHO. Если расшифровать, то это получается, что как дам этом на фишинга.
Но по ряду причин очень сомнительно, чтобы именно MACHO были носителями темного вещества и понятно, откуда они берутся в этих областях. Ведь видите, у нас с вами никаких признаков темного темного вещества. Незаметно, оценки показывают, что в районе солнечной системы практически темной материи нет. На объем земного шара, поучительным оценкам, по теоретическим, получаем количество темного вещества примерно один стакан — 100 грамм темного вещества на земной шар. Это, конечно, страшно мало. Разумеется, она может существовать ни в виде каких-то миллионных образований, вот из обычного вещества, которые мы привыкли. А можно попробовать придумать какие-то частицы, новые, неизвестные, но не входящие в состав атома, которые могут быть открыты, и на них можно переложить всю эту нагрузку, всю эту массу темного вещества.
Вот, собственно говоря, поиском таких частиц занимаются астрономы и физики в течение уже примерно 30 лет. И это тоже крайне трудное занятие. Вот о приемниках для таких частиц я и собирался вам рассказать. Дело в том, что они сами себя как бы не проявляют такие частицы. Но, во-первых, если такие гипотетические частицы сталкиваются, то они аннигилируют и порождают дома хату эти фотоны, можно наблюдать. Другое дело, что вероятность такого столкновения очень маленькая. Это все равно что мы будем драться на дуэли с кем-нибудь, и наши пули столкнуться по дороге и расплющатся.
Такое, конечно, предсказать довольно трудно. Термины, если их, и здесь очень много. Такие единичные события — один на несколько сотен миллиардов — могут происходить. Затем другие частицы такого рода гипотетически могут распадаться в сильном магнитном поле. Это же прогнать излучение, которое тоже можно наблюдать. Вот это все происходит на пределе чувствительности приемников. Это все страшно трудно найти.
Вот отдались предложение искать такую частицу на земле заключается вот в чем: предполагается, такая частица, попадая в выжженный ксенон, порождает фотон, который регистрируется вспышкой и спиливается фотоумножителя. А кроме того, еще при ионизации возникают электроны, которые тоже регистрируются приемниками в этом резервуаре. Это бочка, которая вмещает 10 тонн ксенона. Сверху и снизу установки в каждой из которых 500 фотоумножителей предназначенных и фиксировать эти... А, тут эта бочка убрана в несколько объемов. Для чего все это делается?
Мы все время подвергаемся влиянию космических лучей: протонов, быстрых электронов, гамма-излучения, которые попадают в атмосферу и порождают энергетические частицы. Чтобы эти частицы не эфире выскакивали, с этим приемником он несколько раз экранируется от воздействия космических лучей. Вся эта конструкция еще убирается на милю под землю. И вот, если существуют такие WIMPs, такие вот частицы темного вещества, эта установка будет их регистрировать. Будет или нет — непонятно, может быть, и не будет. Может быть, этих WIMPs в той форме, в какой мы их предсказываем, не существует.
Ну вот, довольно большие средства тратятся на то, чтобы все-таки такую установку создать и попытаться, ну, в худшем случае, хотя бы отрезать возможность того, что такие частицы могут отвечать за это гигантское количество темного вещества. Вот приятно сообщить, что работы по созданию этого приемника, которые вообще-то должны были закончиться уже в мае месяце, они, из-за карантина, были остановлены. Теперь они снова возобновлены и были на действо сучек низкой месяцев. Этот привык вступит в строй. Посмотрим, что он нам покажет. А пока что, до свидания! До следующих встреч! Надеюсь, что вы об этом вам расскажет. [музыка]