Подавляющее большинство массы в нашей Вселенной невидимо. И на протяжении уже довольно долгого времени физики пытаются понять, чем является эта неуловимая масса. Если она состоит из частиц, есть надежда, что Большой адронный коллайдер сможет произвести частицу темной материи или же космический телескоп увидит красноречивую гамма-лучевую сигнатуру столкновения частиц темной материи. Пока же ничего нет. И эта проблема заставляет физиков-теоретиков размышлять над новыми идеями.
В 2017 году известный физик-теоретик Лиза Рэндалл заглянула в одну из самых невероятных возможностей темной материи. Гипотетических, конечно. Вместо того чтобы рассматривать темную материю как частицу определенного типа, она допустила, что темная материя может состоять из целого семейства частиц, из которых создаются темные звезды, темные галактики, темные планеты и, возможно, темная жизнь. Химия темной вселенной могла бы быть такой же богатой и разнообразной, как наша собственная «обычная химия».
Но не все так просто.
Проблема темной материи
Наша Вселенная — удивительное, хоть и непонятное место.
За последние несколько десятилетий мы пришли к осознанию того, что 84,5% вещества во Вселенной невозможно увидеть. Учитывая его довольно неуклюжее прозвище «темной материи», это вещество пребывает в состоянии, в котором оно не взаимодействует с «обычной» материей. Как и темная энергия, эти штуки «темные», потому что мы их не понимаем.
Если на моем столе сейчас лежит кусок темной материи, я об этом никогда не узнаю. Кусок темной материи вообще как таковой не может лежать на моем столе. Он провалится через стол, и пол, и земную кору, устремится в гравитационный колодец в ядре нашей планеты. Или же он улетучится в космос непостижимым образом. Темная материя настолько слабо взаимодействует с чем-либо, что этот кусок просто провалится через обычную материю, будто ее нет.
В небольших масштабах гравитационное проявление темной материи ничтожно, но на космологических расстояниях присутствие темной материи определенно ощущается — ее можно наблюдать косвенным образом по ее гравитационному воздействию на скопления галактик и ее влиянию на вращение галактик. Мы знаем, что она существует, просто не видим.
И мы не знаем, что это такое. Можем только догадываться.
Обычная материя — она же барионная материя — взаимодействует посредством электромагнитных, гравитационных, сильных и слабых сил. Эти силы передают энергию и наделяют всю материю структурой. Темная материя, с другой стороны, обычно рассматривается как аморфное облако «вещества», которое не может взаимодействовать посредством электромагнитных, слабых или сильных сил. Следовательно, предполагается, что темная материя «небарионная». Небарионная материя может выявить свое присутствие только гравитационно.
Ведущим кандидатом в поиске темной материи является WIMP, слабо взаимодействующая массивная частица. Как следует из названия вимпа, эта гипотетическая частица не взаимодействует с нормальной материей — поэтому она не барионная.
Установленные космологические модели прогнозируют, что темная материя — будь она в форме вимпов или «аксионов», допустим — наделяет нашу Вселенную структурой и обычно упрощенно называется «клеем», который держит нашу Вселенную в целом.
Наблюдая за вращением галактик, астроном Вера Рубин заметила, что большая часть материи в галактиках не наблюдаема. Виден лишь небольшой процент — звезды, газ и пыль; остальное прячется в огромном, но невидимом гало темной материи. Будто наша видимая плеяда обычной материи — просто колпак на огромном колесе темной материи, которое простирается далеко за пределы того, что мы можем видеть.
В недавно опубликованной (в 2013 году) Рэндалл и ее коллегами работе был представлен более комплексный вид темной материи. Согласно их представлению, гало темной материи нашей галактики не состоит из одного лишь типа аморфной массы небарионной материи.
«Кажется очень странным предполагать, что вся темная материя состоит лишь из одного типа частиц», пишет Рэндалл. «Непредвзятый ученый не должен допускать того, что темная материя не будет настолько же разнообразной, как наша обычная материя».
Богатая «теневая Вселенная»?
Подобно тому, как наша видимая Вселенная управляется Стандартной моделью физики — хорошо проверенной семейкой частиц (включая небезызвестный бозон Хиггса) и сил, может ли в темном галактическом гало функционировать богатая и разнообразная модель частиц и сил темной материи?
Это исследование следует логике, предполагая наличие богатого разнообразия неизвестной физики в темном секторе вселенной — назовем ее «теневой вселенной» — которая существует параллельно нашей собственной и обладает всеми сложностями, которые может предложить наша видимая вселенная.
Астрофизики ранее предполагали, что в нашей древней вселенной могут существовать «темные звезды» — звезды, состоящие из темной материи — и по сей день. Если это так, рассуждает Рэндалл, возможно, могут сформироваться и «темные планеты». И если существует семейство частиц темной материи, управляемых силами, развернутыми в темном секторе, может ли это привести к появлению сложной химии? А к жизни?
Впрочем, если параллельно нашей вселенной существует «темная» или «теневая» жизнь, можете забыть о том, что мы сможем ее засечь.
Теневая жизнь останется в тени
Кажется заманчивым использовать эту гипотезу для объяснения всех повседневных загадок или даже паранормальных заявлений, которые не может оспорить или подтвердить наука. Что, если «призраки» или необъяснимые «огни в небе» — это выходки темных созданий, живущих в изнанке всего сущего?
Хотя для сериала или фильма такая логика вполне бы подошла, эти темные создания жили бы в теневой вселенной, которая совершенно несовместима с обычным веществом. Их частицы и силы не имели бы никакого влияния в нашей вселенной. Вы могли бы читать эти строки, сидя на пеньке в темном лесу, и никогда об этом не узнали бы.
Но поскольку мы сосуществуем с этой теневой вселенной в одном пространстве-времени — без лишних измерений или мультивселенных — можно передать только один сигнал.
Гравитационные волны были открыты только в 2016 году, и первое обнаружение этой ряби в пространстве-времени было вызвано столкновением черных дыр. Кажется вполне возможным, что гравитационные волны могут быть зафиксированы и в темном секторе, но только самые мощные космические события в темном секторе могут быть зафиксированы на нашем конце провода.
В общем, мы почти наверняка никогда не докажем существование милых существ из темной материи, но Рэндалл отмечает важный момент. Когда мы задумываемся об источнике темной материи, мы обязаны выходить за рамки наших предрассудков; темный сектор может представлять собой сложное семейство частиц и сил темной материи, которые находятся за пределами того, что мы способны представить.