Адам Рисс и одна далекая сверхновая

Эти две сверхновые очень заинтересовали Адама Рисса. Более того, он считал их напоминанием об упущенной возможности – из-за невозможности использования «Хаббла» именно для последующих наблюдений за ними, так как все время телескопа расписано надолго вперед, как у дирижера мировой величины. А ведь они находились на расстоянии, достаточном для проверки космологической модели, связанной с темной энергией и периодом замедления расширения Вселенной до того, как начался период ускорения. Замедлялось ли расширение под доминирующим влиянием темной материи перед тем, как начать ускоряться под влиянием темной энергии? Рисс очень сожалел, что у Гиллилэнда и Филипса не было возможности провести последующие наблюдения, когда это требовалось. Тогда астрономия уже смогла бы проверить темную энергию!

В начале 2001 года Адам Рисс решил, что, может быть, еще не все потеряно. А что, если последующие наблюдения за хотя бы одной из этих сверхновых были проведены? Не преднамеренно, а в процессе каких-то других наблюдений, которые велись с помощью «Хаббла»? Компьютеры, даже компьютер в кабинете самого Рисса, давали возможность просмотреть «поисковый журнал» телескопа «Хаббл». Рисса интересовал период с 27 декабря 1997 года по 1 апреля 1998 года – в этот период две упомянутые сверхновые должны были стать ярче, а потом снова потускнеть.

Невероятно, но Риссу повезло! В 1997 году группа астронавтов во время второй экспедиции шаттла «Дискавери» добавила несколько новых инструментов к «Хабблу» и космической платформе, в частности была установлена камера ближней инфракрасной области и многообъектный спектроскоп для наблюдений в инфракрасном диапазоне (NICMOS). Он находится вне диапазона видимого света, поэтому для представления результатов исследований в публикациях часто используют условные цвета.

А для проверки нового оборудования как раз требовались самые дальние участки Вселенной. И данные именно с этой целью – проверки работы нового оборудования – считывались 26 декабря, 2 января, 6 января. Сверхновая SN 1997f появлялась почти везде! Рисс изучил ее красное смещение и определил, что она взорвалась примерно 10,2 млрд лет тому назад, то есть гораздо раньше, чем расширение Вселенной должно было перейти от замедления к ускорению. Если Вселенная и вправду перешла от замедления к ускорению. И если темная энергия действительно существует.

В 2001 году Адам Рисс уже был штатным сотрудником Института исследований космоса с помощью космического телескопа, который находится в Балтиморе, штат Мэриленд. Это научный оперативный центр, основанный НАСА в 1981 году для космического телескопа «Хаббл» и космического телескопа имени Джеймса Уэбба, начало использования которого запланировано на 2018 год. В 2001 году в Институте был проведен симпозиум на тему «Темная Вселенная: материя, энергия и сила тяжести». Его организовал астрофизик Марио Ливио. На симпозиуме собралось более ста астрономов, чтобы обсудить «астрономию невидимого». Присутствовала знаменитая к тому времени Вера Рубин, которая открывала конференцию. Она выступила с историческим обзором темной материи или, правильнее будет сказать, идеи темной материи, поскольку, как выразилась сама Рубин, «пока не знаешь, что такое темная материя, невозможно знать ее историю». Она вспомнила, как сама предсказала в 1980 году открытие темной материи в течение десяти лет.

Марио Ливио, израильский и американский астрофизик, популяризатор науки и литератор (род. в 1945)

Присутствовал там и Сол Перлмуттер, который говорил о возможностях, которые открыл бы новый космический телескоп, отданный только под сверхновые. Еще человек двадцать пытались продвигать свои проекты, рассказывая об их перспективах и сообщая о последних результатах, каким-то образом связанных с идентификацией темной энергии. Но большинство все-таки пытались ответить на вопрос, поставленный Марио Ливио и выбранный им для своего заключительного слова: «Ускоряющаяся Вселенная – мы верим в это»?

Адам Рисс выступал на третий день (симпозиум длился четыре дня). Коллеги уже знали, о чем он будет рассказывать, так как в первый день симпозиума он выступил на пресс-конференции, организованной НАСА, а на следующий день его слова повторили газеты по всему миру.

Для начала он представил график – красное смещение против блеска. Рисс использовал данные и команды Сола Перлмуттера, и группы Брайана Шмидта, в которую входил сам. Целью было показать средние данные по сверхновым с похожим красным смещением. Он продемонстрировал аудитории точки, соответствующие нескольким сотням миллионов световых лет, потом миллиарду, потом двум миллиардам, трем, четырем. Наконец дошел до точки, соответствующей сверхновой SN 1997f. Он определил ее красное смещение как равняющееся 1,7, получалась самая дальняя из всех открытых сверхновых, а расстояние до нее выходило порядка 11 млрд световых лет.

Кривая на графике больше не шла вверх. Она резко опускалась вниз. Сверхновая получалась в два раза ярче, чем можно было бы ожидать на таком расстоянии.

Да, Вселенная сделала разворот, то есть вместо замедления расширения началось ускорение. Этот результат также исключал гипотетическое воздействие экзотической серой пыли и изменения в природе сверхновых. Астрономам, занимающимся невидимым, был представлен четкий график, они видели его собственными глазами.

Микролинзирование

Как вы можете увидеть что-то темное, если под «темным» имеете в виду то, что невозможно увидеть, как астрономы 1970-х и 1980-х? Как сделать то, что сделать невозможно?

На протяжении тысяч лет астрономы пытались понять, как «работает» Вселенная, просто глядя на огни в небе. Затем, начиная с Галилея, они научились видеть другие огни на небе, которые было невозможно рассмотреть невооруженным глазом, но стало возможно с помощью телескопа. К середине ХХ века появились телескопы, позволяющие видеть за оптическими частями электромагнитного спектра, стали известны радиоволны, инфракрасное и рентгеновское излучение. Достижения науки и техники использовались астрономами и представителями других дисциплин. После того как существование темной материи было доказано и принято большинством ученых, астрономы поняли, что им теперь придется использовать новые подходы, если они хотят понять, как все-таки работает Вселенная. Как «вступать в контакт» с этим новым и неизведанным? Если они не найдут способа это сделать, то придется, как и астрономам прошлого, у которых не было необходимых инструментов, только теоретизировать.

Богдан Пачинский, польский и американский астрофизик. Одним из первых стал применять численное моделирование в астрофизических исследованиях (1940–2007)

С темной материей с самого начала было связано много теорий. Да и доказательства ее существования были непрямые. Мы «знали», что она там, из-за ее влияния на то, что можем видеть. Мы смогли бы ее увидеть, если бы она не находилась так далеко и не была такой тусклой, что наши обычные инструменты, с помощью которых ведутся наблюдения, не в состоянии помочь. Как-то Вера Рубин пошутила, сказав, что темная материя вполне может быть «остывшими планетами, мертвыми звездами, кирпичами или бейсбольными битами».

В 1986 году Богдан Пачинский предложил использовать эффект гравитационного микролинзирования для выявления скрытой массы (или темной материи). Искривление лучей света в гравитационном поле аналогично действию линзы на световые лучи. Поэтому гравитирующий объект создает в результате искривления лучей света изображения (они называются «дýхи») далекого объекта. Необходимо отметить, что при этом блеск дýхов может быть много больше блеска самой линзируемой галактики. К настоящему времени известны десятки дýхов далеких галактик и квазаров, которые появились в результате гравитационного линзирования их света более близкими галактиками или скоплениями галактик.

Вообще, гравитационная линза – это массивное тело, то есть планета или звезда, или система тел, то есть галактика, скопление галактик, скопление темной материи, искривляющие своим гравитационным полем направление распространения электромагнитного излучения подобно тому, как обычная линза искривляет световой луч. Чтобы гравитационные линзы были способны существенно исказить изображение фонового объекта, это должны быть достаточно большие сосредоточения массы, то есть на существенное искажение способны галактики и скопления галактик. Более компактные объекты, например, звезды, тоже способны отклонять лучи света, но на столь малые углы, что зафиксировать такое отклонение, как правило, невозможно. В этом случае можно лишь заметить кратковременное увеличение яркости объекта-линзы в тот момент, когда линза проходит между Землей и фоновым объектом. Если объект-линза яркий, заметить такое изменение практически невозможно. Если объект-линза неяркий или же не виден совсем, то такая кратковременная вспышка вполне может наблюдаться. Это и называется микролинзированием. Такой процесс позволяет обнаружить массивные и не видимые никаким иным способом плотности материи. А как мы уже знаем, свыше 90 % массы Вселенной находится в скрытой, ненаблюдаемой форме.

Суть гравитационного линзирования в том, что при наблюдении дальнего источника в космосе через другой космический объект форма дальнего источника света искажается. Это может быть вызвано звездой или галактикой, через которую проходит свет от дальнего объекта. При помощи гравитационного линзирования можно обнаружить неяркие объекты.

В 1936 году Эйнштейн высказал предположение о том, что находящаяся на переднем плане звезда может служить в некотором роде линзой для звезды, находящейся на заднем плане. Гравитационная масса звезды «в авангарде» будет искажать пространство, а вместе с ним и траекторию луча света, идущего от звезды «в тылу», так что даже хотя вторая звезда находится «за» первой и скрыта от нас, мы все равно сможем ее увидеть, пусть и не прямо. Но Эйнштейн был ограничен знаниями того времени и говорил о звездах нашей галактики. Да и предположение не поражало воображения, если сравнить с другими, высказанными ученым. Хотя эффект отклонения луча далекой звезды в гравитационном поле Солнца был первым наблюдаемым подтверждением общей теории относительности Эйнштейна. Эффект искривления светового луча обнаружили в 1919 году, и произошло количественное совпадение с теоретическими расчетами общей теории относительности Эйнштейна. Именно это сделало Эйнштейна знаменитостью. Это был триумф революционной общей теории относительности, которая кардинальным образом меняла представления людей о пространстве, времени, материи.

Прошло всего несколько месяцев после публикации соответствующей статьи Эйнштейна, и Фриц Цвикки заявил, что не звезда, а галактика, находящаяся на переднем плане, будет служить гравитационной линзой. Но обнаружение и использование гравитационного линзирования задержалось на несколько десятилетий – хотя Эйнштейн предсказал его вскоре после открытия общей теории относительности, его провозгласили только в 1979 году. Почему произошла такая задержка? Все легко объяснимо. Только одного искривления пространства недостаточно для гравитационного линзирования – оно должно искривиться таким образом, чтобы луч от далекой звезды мог фокусироваться. Именно поэтому эффект и обнаружили только через 60 лет после теоретического предсказания. Но кроме особенностей самого линзирования свою роль сыграли и сложности, связанные с развитием техники. До середины ХХ века внегалактическая наблюдательная астрономия делала только свои первые шаги. Вероятность же линзирования на звездах, то есть совпадения звезды-линзы и линзируемого объекта (звезды, служащей источником света) на одном луче зрения ничтожно мала (она выражается числом с 18 нулями после запятой). А для галактик она значительно больше, что и подтвердилось в наблюдениях 1979 года. Именно с этого времени гравитационное линзирование стало еще одним эффективным и действенным инструментом познания Вселенной.

Но вернемся к нашей теме – темной материи, или скрытой массы. Для наблюдений скрытой массы используется тот факт, что она обладает гравитационным полем, в котором, как известно из общей теории относительности, путь лучей света искривляется. Уже давно стало ясно, что темная материя – это не газ, хотя вначале холодная космическая пыль и газ фигурировали среди претендентов на объяснение огромного количества скрытой массы во Вселенной. Современные ученые считают, что носителями скрытой массы являются два класса объектов. Первый класс предсказывается теорией эволюции звезд. Это небесные тела, состоящие в основном из барионной формы материи (барионы – это сильно взаимодействующие элементарные частицы с полуцелым спином – нейтроны, протоны и ряд других). Они называются МАХИ, чаще используется латинское наименование MACHO, сокращение от Massive Astrophysical Compact Halo Objects, или «Массивные астрофизические компактные объекты гало». Этот класс включает слабо светящиеся звезды – коричневые карлики (звезды с малой массой для звезд, в недрах которых никогда не зажигаются термоядерные реакции), белые карлики, некоторые планетные системы вокруг звезд, нейтронные звезды в неактивной стадии (без феномена пульсара), черные дыры. Поначалу специалисты пытались объяснить существование такого большого количества скрытой массы существованием именно невидимых астрономических объектов, не являющихся источниками какого-либо излучения, то есть этого класса. Но таких объектов недостаточно для объяснения плотности темной материи, поэтому приходится искать новых «претендентов».

И тут мы говорим о втором классе. Этот класс объектов подсказан теорией образования Вселенной, которую принимает большинство ученых (то есть теорией Большого взрыва), в соответствии с которой на ранних стадиях образования Вселенной появились очень слабо взаимодействующие элементарные частицы с неравной нулю массой покоя, которые получили название вимпы, или СВМ-частицы. Слово происходит от английского сокращения WIMP, или Weakly Interacting Massive Particles, то есть «слабо взаимодействующие массивные частицы». К этому классу относятся нейтрино и нейтралино, массивные гипотетические слабовзаимодействующие частицы. Но могут быть и другие кандидаты на роль темной материи – легкие слабовзаимодействующие частицы, или виспы (Weakly Interacting Slim Particles, WISP). Наибольшее внимание уделяется гипотетическим маломассивным частицам аксионам. Также говорят про частицы, существование которых следует из теории суперсимметрии (между бозонами и фермионами, то есть у каждого бозона должен быть партнер-фермион, и наоборот), гипотетические сверхтяжелые частицы, и, наконец, самовзаимодействующее вещество. Вспоминаются фотино, гравитино и ряд других. Есть и другие версии темной материи, например, сверхтяжелые реликтовые частицы, реликтовые черные дыры, суперпартнеры аксионов (аксино) и «зеркальная материя».

Предположительно, значительная часть всех этих частиц расположена в обширных галактических гало. Какой из этих «кандидатов» доминирует в наблюдаемой области Вселенной, какие просто присутствуют? Эти вопросы должны решаться с помощью разработки соответствующих теоретических моделей и систематических астрономических наблюдений. Например, вимпы могут быть в десятки или, что вероятней, в сотни и тысячи раз тяжелее протона. Не исключено, что их обнаружат если не на Большом адронном коллайдере, то на суперколлайдере нового поколения с суммарной энергией столкновений в 100 ТэВ (порядка 100 000 протонных масс), строительство которого запланировано после 2020 года.

Если исследовать дýхи скоплений галактик, можно восстановить их истинные изображения и даже оценить распределение массы в гравитационной линзе – скоплении галактик. Именно из таких исследований получается дополнительный вывод о существовании скрытой массы в скоплениях галактик. Упомянутый астрофизик Пачинский предложил эффект гравитационного микролинзирования звезд ближайших галактик темными телами нашей галактики для выявления носителей скрытой массы.

Микролинзирование звезд отличается от линзирования далеких галактик тем, что здесь невозможно раздельно наблюдать дýхи, так как их угловое разделение очень мало. С другой стороны, при микролинзировании можно наблюдать изменение блеска линзируемой звезды, вызванное относительным перемещением звезды, линзы и наблюдателя. Пачинский проанализировал кривую вращения нашей галактики и высказал гипотезу, что она обладает сферической подсистемой (или гало), которая может быть заполнена несветящимися телами MACHO с малыми массами – нейтронными звездами, черными дырами, коричневыми карликами и космическими телами вплоть до тел с массой Юпитера и меньше. Таких темных тел в гало нашей галактики должно быть немало, и, соответственно, вероятность, что звезда ближайшей галактики (например, Большого Магелланового Облака) спроектируется на темное тело, тоже если не велика, то значительна. Поскольку одновременно будет вестись наблюдение за миллионами звезд, хотя бы из одного Большого Магелланова Облака, можно надеяться достаточно часто регистрировать вспышки звезд, обусловленные эффектом микролинзирования. По их длительности и частоте можно судить о вкладе темных тел гало галактики в полную массу невидимого вещества – темной материи. Таким образом, в последние годы были определены параметры ряда темных тел гало галактики.

После высказанного Пачинским предложения две группы ученых в разных частях света начали поиск эффектов микролинзирования звезд в Большом Магеллановом Облаке темными телами гало Млечного Пути. Одна группа работала в Австралии, в обсерватории Маунт Стромло. В распоряжении ученых был телескоп с зеркалом, диаметр которого составлял 1,27 м, и панорамным фотоэлектрическим приемником, который позволяет одновременно регистрировать и анализировать с помощью компьютера блеск около миллиона звезд. Другая группа работала в Чили на широкоугольном 50-сантиметровом телескопе вначале с помощью фотографической методики, а затем с панорамным фотоэлектрическим приемником излучения. Обе группы наблюдали несколько миллионов звезд на протяжении двух лет и практически одновременно опубликовали первые результаты наблюдений явлений микролинзирования звезд в Большом Магеллановом Облаке темными телами гало Млечного Пути. Оказалось, что блеск трех звезд в Большом Магеллановом Облаке испытал резкий (примерно от трех до шести раз) подъем и спад. Кривые блеска не зависели от длины волны, были строго симметричны и имели характерную продолжительность изменений блеска около одного месяца. То есть уже первые результаты наблюдений явлений микролинзирования показали, что одной из составляющих скрытой массы являются маломассивные звезды.

Было высказано предположение, что это, скорее всего, коричневые карлики. Количество таких маломассивных звезд в нашей галактике получилось гораздо большим, чем предсказывала общепринятая теория происхождения и эволюции звезд. Соответственно, перед учеными встала новая серьезная проблема. Для корректной оценки доли темной материи или скрытой массы, сосредоточенной в таких маломассивных звездах, следовало увеличить число наблюдений явлений микролинзирования, причем не только в направлении Большого Магелланова Облака, но и в других, чтобы лучше оценить пространственное распределение темных тел в галактике.

И наблюдения были продолжены, наиболее активно этим занимались американцы и поляки. Может, это совпадение, а может, сыграла роль национальность Пачинского. К настоящему времени можно говорить о более чем 50 (по сравнению с первыми тремя) обнаруженными явлениями микролинзирования. Анализ результатов наблюдений звезд Большого Магелланова Облака позволяет сделать вывод, что, по крайней мере, половина скрытой массы в виде барионов обязана своим происхождением вкладу маломассивных звезд, то есть с массой от 0,1 до 0,5 массы Солнца, и коричневых карликов. Из чего состоит другая часть барионной компоненты скрытой массы и какова природа ее небарионной составляющей, пока остается загадкой.

Следует отметить, что открытия, сделанные в этой области к сегодняшнему дню, были совершены на небольших наземных телескопах с использованием простых и относительно недорогих средств (фотоэлектрических панорамных приемников и мощных компьютеров). Более того, обнаружены не только эффекты микролинзирования, но и получены высокоточные кривые блеска многих десятков тысяч переменных звезд разных типов. А это – важный вклад не только в проблему скрытой массы, но и в проблему изучения переменных звезд. И все благодаря остроумной идее Пачинского.

В результате точно выявлена, по крайней мере, одна составляющая темной материи или скрытой массы – маломассивные звезды, белые карлики и возможные коричневые карлики, которых оказалось очень много в гало Млечного Пути, много больше, чем до сих пор предсказывалось теорией эволюции звезд. А это – прорыв в науке.