Карта Вселенной - читать онлайн книгу. Автор: Приямвада Натараджан cтр.№ 33

MOND не в силах повторить все впечатляющие успехи, которыми отметилась теория холодной темной материи. Ключевой ее недостаток состоит в том, что она не является действительно всеобъемлющей теорией подобно теориям Ньютона и Эйнштейна; при этом она не выдвигает каких-либо базовых физических оснований для предполагаемого изменения гравитации, ее цель лишь в том, чтобы соответствовать эмпирическим данным. Также малоправдоподобным остается шанс на более глубокую базовую поддержку теории, которая дала бы нам изменение гравитации, предполагаемое MOND. Если бы такая теория существовала, она должна была бы объяснить все существующие наблюдения, все функции темной материи — формирование структуры Вселенной, расширение Вселенной и отклонение света — и создать новые доступные для проверки предположения для замещения гипотезы о темной материи.

Когда речь заходит о любой новой теории, которой предстоит заменить старую, эта теория должна объяснять все существующие данные и выдвигать дополнительные прогнозы, которые мы можем подтвердить с помощью наблюдений. Чтобы две конкурирующие теории могли всерьез соперничать друг с другом, они должны обосновывать существующие данные и генерировать доказуемые прогнозы. Поэтому, хотя MOND пока еще не является по-настоящему жизнеспособной альтернативной теорией, в ней можно увидеть окошко для альтернативной теории гравитации. MOND предоставляет действующее и активное поле для исследований, хотя над ее проверкой работает лишь горстка астрономов и есть небольшое число теоретиков, которые пытаются усовершенствовать формулы. Несмотря на вышесказанное, можно ждать очень горячих споров на тему MOND против холодной темной материи. Теория холодной темной материи имеет огромный потенциал, но есть и пробелы — случаи, когда она не до конца соответствует наблюдениям. Некоторые шероховатости между этой теорией и эмпирикой можно заметить в примере, когда барионы (обычные атомы) сталкиваются вблизи частиц темной материи, как, например, в самых удаленных районах галактик. В центре галактик, где звезды теснятся друг к другу и барионы превышают количество частиц темной материи, модель холодной темной материи не в состоянии корректно обосновать наблюдаемые свойства ^[18]. Разделение функций темной материи и обычных атомов в таких перенаселенных космических уголках стало вызовом и для наблюдателей, и для численного моделирования.

Выходит, вся Вселенная кишит темной материей, космической паутиной с четкой нитевидной структурой, которая пронизывает межгалактическое пространство. Сегодня у нас есть точные карты темной материи, полученные на основании наблюдений гравитационного линзирования. Самые последние карты, характеризующиеся высокой надежностью, созданные моей исследовательской группой на базе данных о линзировании в скоплении, предоставленных проектом Frontier Fields, выявили наличие объекта, который представляет собой кольцо из темной материи вокруг крохотных галактик-карликов внутри скоплений, расположенных на расстоянии в 5 млрд световых лет от нас. Отклонение света позволило нам измерить количество темной материи, связанной с самыми маленькими кластерными галактиками во Вселенной. И, судя по всему, темная материя существует во Вселенной в разных масштабах. Все же стоит спросить, действительно ли природа гравитации не меняется на космических расстояниях и почему это происходит. Продуктивнее всего было бы, конечно, найти гипотетическую частицу темной материи — недостающее тело на месте преступления. Если говорить о рассматриваемых вариантах, мы изучили целый диапазон — от обычной материи в виде планет, тусклых звезд и черных дыр до экзотических частиц. Специалисты по космологии упоминают всю совокупность вариантов обычной материи как массивные компактные объекты гало (MACHOs). Сейчас теория говорит нам, что если бы темная материя не отличалась от обычных атомов и частиц, то тогда всей имеющейся материи было бы все же недостаточно. Мы можем рассчитать, сколько обычных атомов было создано при Большом взрыве, и наблюдения за оставшимся излучением подтверждают это число. Если взглянуть на сумму массы во Вселенной, становится понятно, что нам нужна своего рода экзочастица, созданная на ранних этапах развития Вселенной, которая отличается от обычной материи и отвечает за всю предполагаемую темную материю. Конечно, такие частицы по определению было бы трудно отследить, так как они достаточно пассивны и едва ли взаимодействуют с обычной материей. Такие слабовзаимодействующие массивные частицы (получившие от космологов наименование WIMPs) с легкостью пройдут прямо сквозь ваше тело. В настоящее время проводятся многочисленные эксперименты с целью непосредственного обнаружения частиц темной материи — WIMP, — которые блуждают неподалеку от Земли, однако пока эта загадочная вездесущая частица ускользает от ученых.

Разъяснение роли темной материи во Вселенной обозначает начало новой главы в космологии. В последние 60 лет научная практика постепенно развивалась, что требовало командной работы и арсенала новых приборов. Сегодня мощные компьютеры с высокими графическими характеристиками позволяют нам проследить развитие Вселенной и визуализировать данный процесс, что обеспечивает возможность прямого сравнения с астрономическими наблюдениями. Одно из ключевых ограничений для нас как для космологов заключается в том, что мы, в отличие от других ученых, не можем осуществлять контролируемые эксперименты. Что обнаружили, то и получили. Космология, изначально основанная на абстрактных теориях, сегодня получила статус уважаемой науки, так как цифровые модели стали своеобразным аналогом экспериментов. К 1980-м гг. в космологии сформировалось три метода исследования, три независимых подхода, имеющие важнейшее значение для генерирования новых знаний и проверки новых идей, — теория, наблюдение и компьютерное моделирование. Благодаря стремительному развитию технологии и вычислительной техники сегодня мы можем создать подробные космологические модели, вышедшие за границы своей первоначальной функции — подтверждение наблюдений, — и направлять науку к тем вопросам, которые находятся у переднего края исследований. Эта перемена произошла благодаря генерирующей способности моделирования, которое из довольно ограниченного способа проверки идей выросло в мощный метод формирования нового знания. Сегодня модели позволяют взглянуть на астрофизические процессы, не только крайне сложные, но и взаимодействующие друг с другом на таком уровне, который не могут спрогнозировать обычные бумажные расчеты.

История признания темной материи звучала совсем не так, как это было с двумя другими революционными идеями— с ними мы столкнулись в предыдущих главах: речь идет о расширяющейся Вселенной и черных дырах. Во-первых, первоначальные гипотезы о темной материи основывались исключительно на эмпирических данных, и обосновывающий их теоретический контекст был разработан уже задним числом. Во-вторых, нет никаких сомнений в том, что изобретение инструментов, а также компьютерного оборудования и специализированных программ имело решающее значение в открытии ключевой роли, которую во Вселенной играет темная материя. В-третьих, отличительной чертой процесса в данном случае является его траектория — темную материю не раз открывали, опровергали, открывали заново, прежде чем идея окончательно обрела признание. Для того чтобы понятие темной материи приняли всерьез, понадобилась трудоемкая работа Рубин и Форда, в ходе которой они фиксировали скорости звезд во многих галактиках на огромных расстояниях, и одновременное формирование теории темной материи. Именно пересечение теории — разработка цельного базового каркаса для модели формирования космической структуры на основе холодной темной материи — и наблюдений привело к окончательному принятию идеи темной материи. Помимо создания новых экспертных систем в виде моделей проблема темной материи подчеркнула и вывела на новый уровень роль моделирования в космологической сфере. Значение моделирования, выполняющего функции важного промежуточного звена между наблюдениями и теорией, выросло, когда ученые признали значительную роль темной материи во Вселенной. Открытие частицы темной материи, конечно, все еще остается под большим вопросом. Мы доведем до конца расследование, когда найдем тело. А пока мы придерживаемся нашей веры в невидимую, но осязаемую частицу и продолжаем поиски этого загадочного объекта.