Сергей Парновский - Как работает Вселенная - Введение в современную космологию

Основными экспериментами по непрямым поискам темной материи являются: космический эксперимент PAMELA, аппаратура которого размещена на российском спутнике «Ресурс-ДК1», космический гамма-телескоп FERMI–LAT, космический телескоп EGRET на борту космического аппарата CGRO и недавно доставленный на МКС альфа-магнитный спектрометр AMS-02, а также эксперимент ATIC, аппаратура которого запускалась на аэростате в Антарктиде.

К сожалению, среди непрямых экспериментов противоречий еще больше, чем среди прямых. Есть еще одно направление непрямого поиска частиц темной материи. При анализе данных спектра рентгеновского излучения из космоса был обнаружен неизвестный ранее пик в районе энергии 3,5 кэВ. Некоторые ученые уверяют, что это излучение, возникшее при аннигиляции подобных частиц с их античастицами, хотя другие считают, что это ничем не примечательная линия излучения известных химических элементов.

Как видим, поисками темной материи вплотную занялись экспериментаторы, хотя пока что безрезультатно. Впрочем, характеристики детекторов постоянно улучшаются, и уже в недалеком будущем можно ожидать одно из трех: либо будут открыты вимпы или что-то похожее на них, что со временем становится все менее вероятным, либо порог их обнаружения будет понижен настолько, что заставит теоретиков пересмотреть свои предсказания (правда, у них в запасе всегда есть принципиально ненаблюдаемые варианты), либо разные эксперименты будут противоречить друг другу, и тогда этот спор может затянуться не на один десяток лет.

Следует отметить, что отрицательный результат экспериментов не означает, что нет никакой темной материи. Формально это означает только то, что сечение ее слабого взаимодействия находится ниже порога обнаружения или масса вимпов сильно отличается от ожиданий. Возможный вывод заключается в том, что темная материя не участвует в слабом взаимодействии и состоит из стерильных нейтрино или чего-то подобного.

Итак, астрономических наблюдений, подтверждающих существование темной материи, достаточно много. Но можно ли их объяснить каким-то иным образом без привлечения идей темной материи? Для многих это действительно так, хотя и не для всех. Темная материя необходима для роста крупномасштабной структуры Вселенной. Но для того, чтобы объяснить наблюдения, не привлекая темную материю, приходится жертвовать более фундаментальными вещами. Например, существует гипотеза, объясняющая кривые вращения галактик тем, что при малых значениях ускорения нарушается второй закон Ньютона. Эта так называемая модифицированная ньютоновская динамика (MOND) имеет небольшое число сторонников, хотя и очень активных. Подумаем, к каким последствиям приведет такая гипотеза. Для начала надо отказаться от классической механики и заменить ее на какую-то пока не разработанную теорию. Соответственно, рушится фундамент всей физики. Слабые ускорения могут быть связаны с взаимодействиями в рамках молекулярной физики, физики твердого тела, физики элементарных частиц и во многих других областях. Все эти науки придется перестроить без каких-либо на то экспериментальных оснований только для того, чтобы объяснить кривые вращения галактик. При этом остальные доказательства существования темной материи не могут быть объяснены в рамках MOND. Для них придется придумать какие-то другие гипотезы. Гипотеза же о темной материи хороша тем, что объясняет единым образом много различных экспериментов. Другой идеи, подходящей для всех случаев, пока не существует.

Перейдем от масштабов галактик, т. е. астрономических, к масштабам космологическим. Это позволяет решить несколько задач. Во-первых, получить независимые оценки Ωm – плотности материи, выраженной в процентах от критической плотности. Во-вторых, разделить вклады темной и барионной материй. Для этого вводится аналогичный параметр Ωb – отношение плотности барионной материи к критической. Понятно, что плотность небарионной темной материи в процентах от критической плотности будет равна Ωm – Ωb. В-третьих, кроме этого, естественно получаются оценки параметра ΩΛ – отношения плотности энергии, связанной с космологической постоянной, к критической плотности энергии. В настоящее время космологическая постоянная рассматривается как один из частных случаев темной энергии, о которой мы расскажем ниже.