Знание-сила, 2006 № 08 (950)

Другим кандидатом на роль главной составляющей темного вещества является так называемый «аксион». Существование этой экзотической частицы, тоже отсутствующей в «стандартной модели», предсказывается другой новой теорией, а именно — теорией «сильного», или кваркового, взаимодействия (той самой, за которую недавно была присуждена очередная Нобелевская премия по физике). А именно, кварки, из которых состоят частицы атомного ядра — протоны и нейтроны, — располагаются в этих частицах так, что электрически нейтральный нейтрон должен на самом деле представлять собой слабый электрический диполь. Так называют систему, состоящую из положительного и отрицательного зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга: система в целом электрически нейтральна, но поскольку заряды сдвинуты один относительно другого, их электромагнитные поля не компенсируются полностью и система в целом имеет небольшое «дипольное» поле. Благодаря этому она способна излучать электромагнитные волны, если ее заряды то сближаются, то отдаляются. Эксперименты, однако, показали, что дипольное поле нейтрона много меньше, чем предсказывается теорией сильного взаимодействия. Чтобы сохранить теорию (а она очень хорошо объясняет многие другие явления), оказалось необходимым постулировать существование особой частицы, которую назвали аксионом.

Сохранение теории сильного взаимодействия требует определенных свойств аксиома. В свободном пространстве он должен иметь очень малую массу (примерно в 1000 раз меньше массы электрона). Хотя и нейтральный, он в то же время должен быть способным взаимодействовать с сильными магнитными полями, быстро распадаясь на два высокоэнергичных фотона, соответствующих ренгтеновскому диапазону электромагнитного спектра. Проще говоря, в сильном магнитном поле аксион должен распадаться, выбрасывая два ренгтеновских луча. В области с очень большой гравитацией — например, близко к поверхности звезд — могут существовать более массивные, но зато очень коротко живущие аксионы. Их распад в магнитном поле звезды должен сопровождаться нагревом внешней части звезды, ее «атмосферы», до очень высоких температур. Не этим ли объясняется загадка высоконагретой (свыше 1 миллиона градусов) «короны», окружающей наше Солнце?

Поскольку в отсутствие магнитных полей аксионы не взаимодействуют с обычным веществом, их скопления, возникшие на ранних этапах жизни Вселенной, тоже могут претендовать на роль «темного вещества». Но вблизи галактического центра, где наверняка существуют сильнейшие магнитные поля, должен идти непрерывный распад тяжелых аксионов с таким же непрерывным выбрасыванием ренгтеновского излучения. И действительно — в последнее время такое рассеянное ренгтеновское излучение, идущее из галактического центра, уже обнаружено. Но вызвано ли оно аксионами, пока сказать нельзя.

В прямом эксперименте аксионы также не обнаружены, как и нейтралино. Физики надеются обнаружить их после введения в строй самого мощного в мире ускорителя, который сейчас строится в Женеве. А тем временем уже появляются попытки совсем иных объяснений темного вещества — например, как скоплений «черных дыр» минимальных размеров или «горячих» нейтрино. Недавние измерения реликтового космического излучения (оставшегося со времен зарождения Вселенной), показали, что это поразительное невидимое вещество составляет четверть всей массы Вселенной. Это в 6 раз больше, чем масса «видимого» вещества (всех звезд и газа), и понятно, что темное вещество «заправляет» Вселенной в куда большей мере, чем обычное. Тем более хочется разгадать, что же это такое.

Термин «темное вещество» был введен в 1933 году американским астрономом Цвикки. Он изучал скопления галактик и заметил непонятные аномалии в движении отдельных галактик внутри этих скоплений. Любая взятая случайно галактика движется так, как будто общая масса скопления больше суммы масс входящих в него галактик. Поскольку эта «излишняя» масса невидима, Цвикки предложил назвать ее «темной». Несколько позже в скоплениях были обнаружены облака горячего газа. Их измеренные характеристики позволили независимым образом рассчитать массы тех же скоплений. Она опять оказалась больше суммы ее составных частей. Возникло впечатление, что в скоплениях галактик действительно имеется невидимая, «темная» масса, в несколько раз превосходящая массу всего видимого вещества (звезд и газа).

Через несколько десятилетий после Цвикки американка Вера Рубин заметила подобные аномалии в движении отдельных звезд внутри вращающихся спиральных (плоских) галактик. В отличие от твердого диска, галактика не вращается как единое целое — каждая звезда движется сама по себе, вращаясь вокруг центра галактики, как планета вокруг Солнца, только «Солнцем» для нее является вся та масса галактики, которая ближе к центру, чем эта звезда. Законы Ньютона приводят к выводу, что в этом случае скорость звезды по мере ее удаления от центра галактики должна спадать.