Вселенная. Путешествие во времени и пространстве

В настоящее время главная гипотеза о природе темной материи сводится к следующему. Скорее всего, это неизвестный науке тип элементарных частиц — мельчайших кусочков материи с размером протонов или нейтронов. Но это не ставшие уже привычными нам протоны или нейтроны. Они не должны взаимодействовать (или совсем слабо взаимодействуют) с привычным нам веществом (теми же протонами). Они, судя по всему, не подчиняются так называемому сильному ядерному взаимодействию — силам, которые склеивают протоны между собой в ядре атома и не дают им разлететься под действием электрического отталкивания. Если бы частицы темной материи слушались сильного взаимодействия, они могли бы образовать ядра непривычных нам атомов.

Кроме того, частицы темной материи не должны подчиняться электромагнитному взаимодействию, а значит, не влияют на электромагнитное излучение (свет) — поэтому мы их и не видим.

Один из гипотетических вариантов еще не открытых частиц физики и астрономы назвали аббревиатурой WIMP[52], или просто вимпы. Если они существуют, то их можно почувствовать только по их гравитационному воздействию. Они присутствуют и в нашей Галактике, и в нашей Солнечной системе, находятся рядом с читателем этой книги и постоянно проходят его насквозь. Читатель, впрочем, этого не замечает, поскольку, как следует из их названия, они слабо взаимодействуют с веществом.

Особенности вращения галактик показали, что галактики могут быть наполнены газом, состоящим из этих частиц. Более того, облака темной материи, судя по имеющимся данным, значительно больше галактик. Скорее всего, галактики сформировались именно там, где есть сгущения темной материи.

В 1980-е годы уже упоминавшийся выше Джим ­Пиблс из Принстонского университета пришел к мысли, что факт существования темной материи может согласовать наблюдения флуктуаций реликтового излучения с теорией. Если в самом начале существования Вселенной помимо протонов, нейтронов и электронов по­явились еще и частицы темной материи, именно ­флуктуации их распределения могли привести к появлению у Вселенной структуры.

Флуктуации пространственного распределения вимпов[53], видимо, возникли еще в те ранние времена вскоре после Большого взрыва, когда еще не могли возникнуть флуктуации протонов, нейтронов и электронов из-за взаимодействия с фотонами. Фотоны, как было сказано выше, неизбежно должны были препятствовать росту флуктуации. Но вполне могли возникнуть флуктуации частиц темной материи, которые с фотонами не взаимодействуют. И когда по мере падения температуры протоны, нейтроны и электроны наконец смогли объединяться друг с другом, формируя атомы водорода (а также атомы гелия и небольшое количество дейтерия), уже существовали первичные флуктуации — сгущения темной материи. Собственно, в этих сгущениях под действием их гравитации и стали концентрироваться сгустки так называемой барионной материи[54], из которых сформировались сгущения газа — протогалактики. А они со временем превратились в скопления звезд — галактики. Именно флуктуации темной материи стали зародышами будущих протогалактик.

Когда в теорию формирования галактик с учетом расширения Вселенной добавили темную материю, были заново выполнены расчеты — как должны выглядеть флуктуации реликтового излучения под воздействием флуктуаций плотности (а значит, и температуры). Результат превзошел все ожидания. Точки, полученные в результате наблюдений реликтового излучения спутником «Планк» в 2013 году, с великолепной точностью легли на график, ранее построенный на основе теоретических расчетов. Это означало, что тео­рия верна! И темная материя включена в теорию как необходимый элемент.

Итак, теперь картина выглядела так. Вселенная в начальном состоянии была наполнена невероятно интенсивным электромагнитным излучением, а также элементарными частицами, включая частицы темной материи. Случайные флуктуации плотности темной материи под воздействием гравитационной неустойчивости породили сгущения массы. Позже в равномерной раскаленной смеси барионов и электронов температура упала, барионы и электроны сформировали нейтральные атомы, и частицы света (фотоны) перестали взаимодействовать с ними — среда стала прозрачной для распространения света. Сгущения темной материи притянули к себе барионы. В ее огромных сгустках под воздействием их гравитации стали накапливаться сгустки горячего вещества, свет которого мы и наблюдаем как флуктуации реликтового излучения.