неділю, 28 грудня 2014 р.

Профессор А.Долгов: "Возможно, темную материю удастся обнаружить внутри Солнца"

В 2011 году в Новосибирском государственном университете на средства мегагранта правительства РФ была создана лаборатория космологии и элементарных частиц, которая занимается поиском темной материи, проблемами антиматерии, подготовкой специалистов по космологии и астрофизике. Строится детектор для обнаружения темной материи.

О некоторых результатах научной работы и проблемах, связанных с изучением темной материи и темной энергии, рассказывает ее заведующий - профессор университета Феррары (Италия), ведущий научный сотрудник ИТЭФ (Москва) Александр Долгов.

- Александр Дмитриевич, в какой момент теоретики поняли, что без темной материи и темной энергии в описании Вселенной не обойтись?

- На сегодняшний день имеется много астрономических данных, причем весьма разнообразных, которые однозначно свидетельствуют, что кроме обычного вещества – протоны, нейтроны, электроны - существуют в гораздо большем количестве две других субстанции: темная материя и темная энергия. Есть некоторые попытки обойтись без этого, без введения в теорию этих субстанций, например, без темной материи, но мне кажется, что такие теории совершенно не работоспособны, потому что не объясняют все те явления, которые можно наблюдать на небе. А сейчас видят очень много и в ближайшее время увидят еще больше, потому что продолжают строиться новые устройства – это и счетчики космического излучения, и поиск гравитационных волн, нейтринные телескопы и т.д., в том числе и обычные телескопы совершенно фантастической чувствительности.

Еще до войны (в 30-е годы прошлого века) Ян Оорт, и, главным образом, Фриц Цвикке обратили внимание, что скорости звезд в галактике, а также галактик в скоплениях слишком велики, чтобы их можно было объяснить, исходя из наблюдаемых суммарных масс вещества. По расчетам Ф.Цвикке получилось, что этой ненаблюдаемой материи должно быть в несколько раз больше, чем видимой. Но об этом благополучно забыли, интерес к проблеме оживился в 1964 году после работ принстонской группы во главе с Джимом Пиблсом и эстонской группы астрономов: Яана Эйнасто, Антса Каасика и Энна Саара.

Если мы посмотрим на Солнечную систему, то скорость планет тем больше, чем ближе она к Солнцу. Меркурий движется быстро, Венера медленнее, Земля еще медленнее и т.д. Однако в галактике, в скоплениях галактик ситуация другая – там скорость звезд или частиц межзвездного газа по мере удаления от центра сначала растет, а потом перестает и выходит на постоянную кривую – плоскую ротационную кривую, и почти не меняется далеко за пределами видимых границ галактик. Аналогичным образом обстоит дело и для спутников галактик, таких, как Магеллановы облака. Это означает, что есть невидимое вещество, плотность которого слабо падает по мере удаления от светящегося центра, при этом оно концентрируется вокруг него.

- Что, по сегодняшним представлениям, может являться темной материей?

- Пока что о формах темной материи можно говорить гипотетически. Ее делят на два класса: по-английски первый называют MACHO (Massive Astrophysics Compact Halo Objects) – по-видимому, это неизвестные стабильные массивные объекты астрофизического масштаба. В теории их целый "зоопарк", и теория предсказывает, что такие объекты должны быть, но пока мы их не видим. Это могут быть и остывшие звезды, которые принято называть коричневыми карликами, и планеты, "дрейфующие" в межзвездном пространстве без связи с каким-то определенным светилом, и "черные дыры". Скорее всего, это объекты, состоящие из обычного вещества, но почти не излучающие свет, поэтому их можно обнаружить только по гравитации.

Другой вид темной материи называют WIMP (Weakly Interactive Massive Particles, слабовзаимодействующие массивные частицы), что с английского переводится как "слабак". Масса этих частиц теоретически может достигать 1016массы протона, но есть гипотеза, что они могут быть значительно легче электрона.

Темную материю видят пока только по ее гравитационному взаимодействию, никаких других "твердых" проявлений нет. Некоторые исследователи говорят, что при взаимоуничтожении, аннигиляции этих частиц может дать некое электромагнитное излучение. Есть указание на его наблюдение, но пока достоверного вывода сделать нельзя.

Есть другой способ классификации темной материи – на горячую, холодную и теплую. Горячая - это довольно легкие частицы, которые на ранней стадии эволюции Вселенной были в полном контакте с фотонами, с электронами, позитронами, и когда они перестали в какой-то момент с ними взаимодействовать, они разлетелись практически со скоростью света, и летят до сих пор, но уже со значительно меньшими скоростями.

На сегодняшний день "горячая" гипотеза практически исключена, потому предсказываемая ею структура космических объектов противоречит астрономическим наблюдениям.

Холодные частицы темной материи, напротив, хорошо описывают наблюдаемую крупномасштабную структуру – я имею в виду галактики, их скопления, но пока что предсказания этой теории в деталях несколько расходятся наблюдениями.

Возможно, существует "теплая" темная материя, в ней эти недостатки исчезают. Масса частиц такой материи примерно в 100 раз меньше массы электрона. Сейчас это очень популярная схема, и тем более, есть указание, что такие частицы существуют. В частности, об этом говорят измерения так называемого реликтового излучения – радиоволн с температурой около 2,7 кельвинов - это практически фотоснимок Вселенной, когда ей было 300 тыс. лет от роду. По современным представлениям возраст Вселенной оценивается в 13–14 млрд лет.

Еще есть так называемый аксион – это частица очень легкая, в миллиард раз легче электрона, но она холодная, потому что никогда не была "горячей" в отличие от нейтрино. Теория предсказывает эту частицу, она, как один из вариантов, позволяет решить некоторые проблемы физики элементарных частиц, потому ее называют естественным кандидатом на роль темной материи.

- На какой тип темной материи рассчитан прототип детектора, построенный в вашей лаборатории?

- В нашей лаборатории строится детектор для поиска относительно легких частиц – не сотни и тысячи, а десятки масс протона. На это другие детекторы не очень-то "заточены". Есть проекты, что мы будем сотрудничать с одной из лидирующих в мире групп, LZ, которая базируется в США. Чтобы избавиться от фона космического излучения, необходимо поместить детектор глубоко под землю, и это весьма дорого, но в сотрудничестве с группой LZ этой и ряда других проблем можно избежать.

Лучшее место для установки детектора в Европе, и, может быть, в мире – Гран-Сассо в Италии. Там практически отсутствует естественная радиоактивность. К сожалению, у нас на Кавказе граниты дают такой фон, что, как кто-то выразился, еще чуть-чуть – и можно добывать уран.

В нашей лаборатории есть свои уникальные разработки, связанные с той базой, которая имеется в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера, например, уникальный нейтронный источник, который позволяет откалибровать наш детектор, запасы благородных газов и многое другое.

Первый наш детектор имел объем 8 литров жидкого аргона, как мы говорим – ведро, на нем можно было отработать всю электронику, как работает лавинный детектор. Кое-что работало хорошо сразу, кое-что не очень, были обнаружены некоторые недостатки приборов. Сейчас есть уже работающая "бочка", которая имеет объем примерно 150 литров, но нужен все-таки кубометр.

Детектор уже можно использовать, во-первых, (хотя там нужно еще много работать) для детектирования нейтрино – пока это реальная возможность обнаружить так называемое когерентное рассеяние нейтрино, когда нейтрино малой энергии взаимодействует целиком с ядром атома и уходит, не производя электрона. Обычно нейтрино при столкновении рождает электрон, и это легко регистрировать. Здесь же гораздо труднее – по ядру стукнули, оно начало "дергаться". Наш детектор к этому чувствителен, и это открывает очень интересные перспективы, в частности, для дистанционной диагностики атомных реакторов – это ближайшее практическое применение этого дела. Есть перспективы и для медицины – мгновенный счет электронов и позитронов дает возможность делать очень быструю томографию.

Для экспериментов по детектированию темной материи, как я уже сказал, нужен объем в 1 кубометр - но это совсем другие деньги, возможно, поможет НГУ, ИЯФ – все-таки это проект мирового класса. Не знаю, какая будет ситуация с мегагрантом, с его продлением, но было бы жалко бросать такую многообещающую разработку.

- Насколько можно судить по научным публикациям, темной энергии во Вселенной еще больше, чем темной материи…

- Если перейти к темной энергии, то это совсем странная вещь - нечто расталкивающее вещество во Вселенной. Разработки теорий темной энергии связаны как раз с тем, чтобы объяснить это расширение. Совсем недавно расширение Вселенной понимали просто как некое движение по инерции после Большого взрыва. Соответственно, может существовать открытая Вселенная, когда расширение никогда не прекратится, или замкнутая, когда расширение в какой-то момент сменится сжатием, как если бы брошенный камень упал назад.

Сейчас же картина такая, как будто мы кинули камень, и он летел-летел с замедлением, и вдруг у него в какой-то момент включился ракетный двигатель, и он полетел со ‘‘свистом‘‘, ускоряясь. Это произошло относительно "недавно" – примерно 5 миллиардов лет назад. С того момента Вселенная расширилась всего лишь в два раза. Об этом свидетельствует так называемое "красное смещение" – излучение галактик по мере их разбегания сдвигается в диапазон все более длинных волн, они как бы "краснеют". Так вот, в 2011 году американцы Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс собрали доказательства того, что Вселенная расширяется с ускорением, наблюдая сверхновые типа Iа – оказалось, что эти звезды гораздо менее яркие, чем ожидалось при обычном замедляющемся расширении. Это значит, что они находятся дальше, то есть разлетались быстрее, с ускорением.

Есть несколько подходов к пониманию природы темной энергии.

Например, это некое скалярное поле (то есть каждой точке пространства соответствует некое значение темной энергии), которое вызывает антигравитацию. В этом смысле антигравитация вполне естественна, но я хотел бы подчеркнуть, что никакой объект конечного размера антигравитацию не создает. Это может быть только для всей Вселенной, проявляясь на космологических масштабах. Такое поле называют квинтэссенцией. Это поле более или менее равномерно распределено во Вселенной, при этом плотность темной энергии или слабо меняется со временем или остается постоянной (что, вообще говоря, выглядит крайне непривычно). Например, если бы мы имели сосуд с газом, то при расширении сосуда плотность частиц в нем падала бы. А если бы сосуд был заполнен темной энергией, то при расширении ее плотность оставалась бы постоянной или почти постоянной. А во всем объеме сосуда полная энергия возрастала бы. То же самое происходит и во Вселенной – получается, что темной энергии там становится все больше и больше – Вселенная-то расширяется! Интересно, что это не противоречит закону сохранения энергии, надо только не забывать о гравитационном поле.

Есть еще так называемая вакуумная энергия, или космологическая постоянная, которая создает буквально такой же эффект, но, в отличие от скалярного поля, строго не меняется со временем. По современным представлениям, вакуум является скорее весьма сложной средой, где постоянно рождаются и умирают частицы, чем абсолютной пустотой. Эта среда может, даже должна иметь ненулевую энергию. Более того, плотность энергии, рассчитанная исходя из масштабов фундаментальных взаимодействий, отличается от требуемой наблюдениями величины темной энергии, по крайней мере, в 10 в сорок пятой степени раз (это число записывается, как единица с 45 нулями; для сравнения миллиард имеет всего 9 нулей). Это противоречие составляет одну из глубочайших проблем фундаментальной физики.

Вакуумная энергия имеет уравнение состояния, когда давление равняется плотности энергии с противоположным знаком. Но наблюдения указывают на то, что давление равняется не просто плотности энергии с противоположным знаком, а что коэффициент, действительно, отрицательный, но возможно, больше единицы по абсолютной величине.

Так вот, если коэффициент меньше -1, возникает так называемый "фантом" В этом случае Вселенная будет не просто с ускорением расширяться – плотность энергии этого (расталкивающего) поля будет расти со временем. В какой-то момент она станет бесконечной и все разорвется на части – не только галактики, но и звезды, и даже атомные ядра и, возможно, элементарные частицы.

Третья гипотеза, объясняющая ускоренное расширение Вселенной, состоит в том, что дело не в темной энергии, а в том, что на больших расстояниях гравитация действует иначе, чем описывается в общей теории относительности Эйнштейна. Когда появились первые теории такого типа, мы с моим японским коллегой открыли, что в них содержится неустойчивость и все мироздание развалится со взрывом, после чего модифицированную гравитацию еще модифицировали, и там возникла довольно интересная физика. В частности, там нарушается теорема Бергоффа-Енсена о том, что всякое конечное тело притягивает своим гравитационным действием. В этих теориях конечное тело может и отталкивать, создавая антигравитацию.

- Возможно ли обнаружить темную энергию экспериментально?

- Хорошо бы. Сейчас публикуются работы, где предполагается, что темная энергия как-то взаимодействует с темной материей, тогда, может быть, она будет неоднородно распределена, и тогда можно будет наблюдать ее астрономические проявления. Кроме того, за счет возможного взаимодействия с темной материей появляются шансы прямой регистрации темной энергии, но мы пока очень далеки от этого.

Если темная энергия – это вакуумная энергия, которая ни с чем не взаимодействует, никак не проявляется, а только расталкивает Вселенную, то тут перспектив особых нет.

В этом смысле гораздо интереснее модифицированная гравитации, которая имеет очень четкие и очень яркие предсказания. Но я все-таки думаю, что все устроено как-то проще, хотя мы наверняка еще не все знаем. Как бы то ни было, пока нет иного пути, кроме как выяснить природу темной энергии и темной материи по астрономическим данным.

Сейчас ищут проявления темной материи внутри звезд, в том числе внутри Солнца, про которое мы очень много знаем благодаря гелиевой сейсмологии - наблюдаются колебания поверхности Солнца, то есть солнцетрясения, по их характеристикам изучается внутреннее строение светила.

Точность наблюдений растет, и, быть может, в конце концов, могут быть обнаружены некоторые аномалии, свидетельствующие, что в Солнце есть необычный источник энергии за счет аннигиляции частиц темной материи.

Хорошо бы еще пожить миллиардов пять лет, и тогда можно многое узнать… Хотя развитие в этой области обещает быть совершенно фантастическим, строятся новые телескопы, поэтому может быть, удастся многое узнать, и ждать миллиарды лет не придется.

Немає коментарів:

Дописати коментар

Примітка: лише член цього блогу може опублікувати коментар.