До сих пор мы не можем дать исчерпывающего ответа на этот вопрос. Она должна быть невидимой или, по крайней мере, едва заметной, поэтому в ее состав не должно входить ничего, что может сильно излучать, отражать или поглощать свет. Таким образом, обычное вещество, состоящее из атомов, не подходит. Так возникла гипотеза, что темную материю могут составлять большие объекты, такие как черные дыры или экзотические нейтронные звезды, или белые карлики, ведь они практически не видны в телескопы. Такие объекты даже получили специальное название: массивные астрофизические компактные объекты гало (massive astrophysical compact halo objects, MACHO). Но наблюдатели отвергли эту гипотезу. Дело в том, что сильная гравитация таких объектов отклоняла бы свет, идущий к нам от далеких звезд. Мы видим эффекты гравитационных линз, но достаточно редко: эти явления могут объяснить только несколько процентов недостающей массы.

Большинство космологов считают, что мы буквально купаемся в море темной материи, состоящей из газа слабо взаимодействующих массивных частиц, газа, который пронизывает всю галактику, включая нашу Солнечную систему. Тем не менее ни одна из частиц, открытых за последнее столетие, не годится на эту роль. Темная материя должна быть чем-то совершенно новым. За последние годы были сделаны дюжины различных предположений. Предлагались различные варианты: от тяжелых нейтрино-подобных частиц до сверхлегких гипотетических аксионов, от обычной материи со слегка искаженными свойствами (см. ниже «Странно знакомые») до действительно странных вариантов с частицами, двигающимися сквозь дополнительные пространственные измерения.

Тем не менее для многих физиков среди этих гипотез существует явный фаворит: частицы, предсказанные теорией суперсимметрии. В нашем мире существуют два класса частиц: фермионы и бозоны. Фермионы – это такие частицы, как электроны, нейтрино и кварки, из которых и состоит то, что мы называем веществом. Бозоны – это частицы, ответственные за передачу взаимодействий в природе. Электромагнитная сила есть не что иное, как бозоны – фотоны, снующие туда-сюда между электрически заряженными частицами.

Теория суперсимметрии предполагает, что для каждого типа фермиона должен также существовать соответствующий тип бозона со многими сходными свойствами (рис. 6.3). У электрона, например, должен быть до сих пор еще не открытый, но уже получивший имя партнер – селектрон. Так же фотон должен иметь среди фермионов аналог по имени фотино.

Среди новых частиц, согласно теориям суперсимметрии, есть одна, которая может быть стабильной и иметь характеристики, требуемые для кандидата в темную материю. Это легчайшая частица, которая получила название «нейтралино». Если нейтралино действительно существуют, то эти легчайшие частицы, вероятно, должны были возникнуть в первые секунды после Большого взрыва в количествах, необходимых для появления темной материи в нашей сегодняшней Вселенной.

Рис. 6.3. Сравнение стандартной модели и теорий суперсимметрии: в теориях суперсимметрии нейтралино являются более тяжелыми партнерами фотона, Z-бозона – переносчика слабого взаимодействия, и бозонов Хиггса

Но на тропе суперсимметрии нас поджидают засады. Никто еще не видел суперсимметричные частицы. Физики подозревают, что частицы-суперпартнеры, если они существуют, должны быть гораздо тяжелее, чем их обычные аналоги, что очень сильно усложняет их создание или экспериментальное открытие. Но Большой адронный коллайдер, расположенный в лаборатории физики элементарных частиц ЦЕРН возле Женевы (Швейцария), недавно вышел на тот уровень энергий, на котором мы ожидали появления суперсимметричных частиц. Напрямую обнаружить их не удастся, однако можно будет предположить их присутствие по дисбалансу энергии и импульса, полученных в результате столкновений частиц.

Некоторые физики пытаются уловить частицы темной материи, пронизывающие нашу планету во всех направлениях, что довольно сложно. Ведь для того чтобы быть «темными», частицы темной материи должны очень слабо взаимодействовать с обычной материей. И все-таки они должны быть пойманы, хотя этому мешает очень шумный фон от естественной радиоактивности и космических лучей. Представьте, что вы стоите на углу шумной улицы и пытаетесь услышать звук булавки, упавшей на землю.

Некоторые охотники за темной материей спускаются под землю, устанавливая детекторы в шахтах, чтобы таким образом защитить их от космических лучей. Но до сих пор эти детекторы «глубокого залегания» не смогли обнаружить никаких частиц темной материи. Иногда регистрируются намеки на желанное событие, но при ближайшем рассмотрении оказывается, что это лишь мираж.

В то время как одни уходят глубоко под землю, другие устремляются в космическое пространство с целью увидеть высокоэнергетические частицы, которые могут появляться, когда массивные частицы темной материи взаимодействуют и уничтожают друг друга. Специальные телескопы, построенные для обнаружения гамма-излучения, антиматерии и нейтрино, уже поймали сигналы, похожие на сигналы, которые согласно предсказаниям должна рождать аннигиляция частиц темной материи. В 2008 году космическим аппаратом PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics, «Нагрузка по исследованию антиматерии и астрофизики легких ядер») было установлено, что на удивление большая часть космических лучей, путешествующих в космическом пространстве, относится не к обычной материи, а к антиматерии. Это возможный путь к обнаружению аннигиляции темной материи, хотя, скорее всего, эти лучи исходят из хорошо известных источников антиматерии в нашей Галактике, таких как пульсары – быстро вращающиеся нейтронные звезды. Космический гамма-телескоп Ферми (НАСА) зафиксировал яркий источник гамма-лучей из центра нашей Галактики, который также очень похож на сигнал, ожидаемый от аннигиляции частиц темной материи. В данный момент этот результат выглядит более убедительно, чем данные, полученные аппаратом PAMELA, но опять-таки он может быть следствием процессов, происходящих на до сих пор неизвестных астрофизических объектах.

Не выглядит ли все это попыткой поймать черную кошку в темной комнате, тем более что ее может там и не быть, как и темной материи во Вселенной? В 1983 году израильский физик Мордехай Милгром (род. 1946) предположил, что неоправданно высокие скорости движения звезд в галактиках можно объяснить другим способом: если гравитация ведет себя не так, как предсказывали Ньютон или Эйнштейн. Он указал, что наблюдаемое вращение в галактиках может быть объяснено, если второй закон Ньютона – сила равна произведению массы на ускорение или F = ma – модифицируется таким образом, что при очень малых ускорениях сила гравитации становится пропорциональной квадрату ускорения.

Однако в последние годы предположение Милгрома, получившее название MOND (modified Newtonian dynamics), столкнулось с серьезными проблемами. В частности, оно не может убедительно объяснить характер движения галактик внутри скоплений. Наблюдения, проведенные в 2006 году, выявили пару скоплений галактик в процессе слияния, получившую название скопление галактик Пуля. Движение скоплений указывает на то, что их центр притяжения не совпадает с областью, где сосредоточены газ и звезды, как следовало бы из теории MOND. Предположительно, темная материя сместила центр притяжения в другое место; исходя из этого, большинство космологов не считают более теорию MOND жизнеспособной альтернативой существованию темной материи. Скопление галактик Пуля не исключает существование различных модификаций гравитации, и некоторые радикальные альтернативы теории относительности претендуют на объяснение ряда эффектов, которые обычно приписывают темной материи (см. главу 8). Но это вовсе не означает, что все на свете нужно объяснять темной материей.

Чувствительность детекторов темной материи увеличивается в 10 раз примерно за каждые два года, так что первые несомненные доказательства существования частиц темной материи могут появиться в течение ближайших нескольких лет. Вот тогда мы, наконец, сможем пролить свет на свойства темной материи.