В 1932 год голландский астроном Ян Оорт (Jan Oort) считал звезды в Млечном Пути и обнаружил, что их не хватает. Исходя из того, что звезды, двигаясь по кругу в плоскости галактики, скачут вверх-вниз подобно лошадкам на карусели, Оорт подсчитал, что материи, оказывающей на них гравитационное воздействие и приводящей их в движение, должно быть в два раза больше, чем он увидел. Оорт постулировал, что недостаток восполняется скрытой «темной материей», и высказал догадку, что она сконцентрирована в диске, чем и объясняется движение звезд.
Тем не менее, открытие темной материи, как называют невидимое и неопределенное вещество, составляющее пять шестых массы Вселенной, обычно приписывают американскому астроному швейцарского происхождения Фрицу Цвики (Fritz Zwicky), который в 1933 году вывел ее существование из взаимных перемещений галактик. Оорта обошли славой на том основании, что он шел по ложному следу. К 2000 году авторы новых исследований Млечного Пути, действуя по методу Оорта, определили, что «недостающая» масса содержится в тусклых звездах, газе и пыли, и необходимость в темном диске отпала. Намеки, звучащие вот уже 80 лет, указывают на то, что темная материя, чем бы она ни являлась, образует вокруг галактик сферические облака, получившие название «гало».
Ну, по крайней мере, так говорит большинство охотников за темной материей. Но хотя концепция темного диска утратила свою популярность, полностью от нее никогда не отказывались. А в последнее время эта идея нашла важную поклонницу в лице профессора физики Гарвардского университета Лизы Рэндалл (Lisa Randall), которая вытащила теорию диска из научного забвения и выдвинула ее в центр галактической сцены.
Предложив свою модель в 2013 году, Рэндалл с коллегами с тех пор утверждает, что темный диск может объяснить гамма-лучи, идущие из центра галактики, плоское распределение карликовых галактик на орбите вокруг туманности Андромеды и Млечного Пути, и даже периодические падения комет и массовые вымирания видов на Земле. Об этом она написала в своей изданной в 2015 году научно-популярной книге Dark Matter and the Dinosaurs (Темная материя и динозавры).
Однако астрофизики, ведущие опись Млечного Пути, запротестовали, утверждая, что общая масса галактики и скачки ее звезд слишком хорошо сочетаются, не оставляя места для темного диска. «Она намного теснее, чем считает Лиза Рэндалл», — говорит астрофизик из Университета Торонто Джо Бови (Jo Bovy).
Теперь Рэндалл, разработавшая ряд крупных идей по важнейшим вопросам фундаментальной физики, наносит ответный удар. В работе, размещенной на прошлой неделе в интернете и принятой к публикации в журнале The Astrophysical Journal, Рэндалл и ее студент Эрик Крамер (Eric Kramer) в своем анализе Млечного Пути нашли лазейку в форме диска: «Существует важная деталь, на которую мы до сих пор не обращали внимания, — пишут они. — Диск может создавать пространство для самого себя».
Если через «среднюю плоскость» галактики действительно проходит темный диск, утверждают Рэндалл и Крамер, тогда он силой тяготения стягивает остальную материю внутрь, что ведет к повышению плотности звезд, газа и пыли в средней плоскости. Ученые обычно высчитывают общую видимую массу Млечного Пути методом экстраполяции вовне на основе плотности средней плоскости. Если же существует стягивающий эффект, эта экстраполяция приведет к преувеличению видимой массы, и тогда возникнет ощущение, что масса соответствует движению звезд. «По этой причине авторы предыдущих исследований не видели свидетельств существования темного диска», — говорит Крамер. Вместе с Рэндалл они считают, что тонкий темный диск возможен, и что в некотором смысле его присутствие предпочтительнее, чем отсутствие.
«Работа Лизы возродила это дело», — говорит Крис Флинн (Chris Flynn) из Технологического университета Суинберна, что в австралийском Мельбурне. Он вместе с Йоханом Холмбергом (Johan Holmberg) в начале 2000-х провел несколько «инвентаризаций» Млечного Пути, которые, казалось, начисто уничтожили все возможности для существования темного диска.
Бови с этим не согласен. Даже если принять во внимание стягивающий эффект, по его оценке, в темном диске может находиться не более 2% общего количества темной материи, в то время как остальная материя должна формировать гало. «Я думаю, большинство людей хочет выяснить, что такое 98% темной материи, а не 2%», — говорит он.
Эти дебаты, как и судьба темного диска, могут скоро найти свое разрешение. Спутник Gaia Европейского космического агентства при помощи телескопа в настоящее время обследует положение и скорости миллиарда звезд, и окончательный реестр Млечного Пути может быть составлен уже к концу следующего лета.
Открытие темного диска любого размера было бы чрезвычайно показательным. Если он существует, темная материя окажется намного сложнее, чем издавна считали ученые. Материя собирается в форму диска, только если имеет возможность излучать энергию, а лучший способ для излучения достаточного количества энергии — сформировать атомы. Существование темных атомов означало бы, что темные протоны и темные электроны, заряженные подобно видимым протонам и электронам, взаимодействуют между собой посредством темной силы, передаваемой темными фотонами. Даже если 98% темной материи инертно и образует гало, существование самого тонкого темного диска будет означать наличие «темного сектора» неизвестных частиц, столь же разнообразных, как и видимая Вселенная.
«Обычная материя довольно сложна; есть материя, которая играет роль в атомах, а есть, которая не играет, — говорит астрофизик Калифорнийского университета в Ирвайне Джеймс Баллок (James Bullock). — Поэтому не будет безумием представить, что остальные пять шестых материи во Вселенной тоже довольно сложны, и что есть определенная часть такого темного сектора, которая существует в виде связанных атомов».
Представление о сложности темной материи в последнее время находит все больше сторонников, чему помогают астрофизические аномалии, которые не очень вяжутся с идеей о темной материи как о пассивных, медлительных и «слабо взаимодействующих массивных частицах». Эти аномалии, а также тот факт, что в ходе детальных экспериментов в разных странах мира такие тяжелые слабовзаимодействующие частицы (вимпы) так и не были обнаружены, ослабили данную теорию и положили начало новой эпохе, в которой любой может строить догадки о том, что это за зверь такой — темная материя.
Эта эпоха наступила где-то в 2008 году, когда участники эксперимента PAMELA обнаружили избыток приходящих из космоса позитронов (по сравнению с электронами). Эта асимметрия подогрела интерес к ныне популярной модели «асимметричной темной материи», предложенной Катрин Цурек (Kathryn Zurek) и ее коллегами. В то время в ходу было мало идей, кроме концепции вимпов. «Были разработчики моделей вроде меня, которые понимали, что идея темной материи совершенно не проработана в этом направлении, — говорит Цурек, работающая сейчас в Национальной лаборатории им. Лоуренса Беркли в Калифорнии. — Поэтому мы нырнули в эту работу с головой».
Другим стимулом стала плотность карликовых галактик. Когда ученые пытаются моделировать их формирование, карликовые галактики обычно оказываются слишком плотными в своих центрах, если ученые не исходят из того, что частицы темной материи могут взаимодействовать между собой с помощью темных сил. Но если добавить сюда слишком сильное взаимодействие, то мы разрушим модели формирования структуры в ранней Вселенной.
«Мы пытаемся выяснить, что можно допустить, — говорит Баллок, который также занимается созданием этих моделей. Большинство создателей моделей учитывают слабые взаимодействия, которые не оказывают воздействия на форму гало темной материи. «Но что примечательно, есть класс темной материи, который позволяет оформиться дискам», — говорит Баллок. В этом случае лишь крошечная доля частиц темной материи будет взаимодействовать, но взаимодействовать они будут достаточно сильно, чтобы рассеивать энергию, а затем формировать диски.
Рэндалл и ее коллеги Джиджи Фан (JiJi Fan), Андрей Кац (Andrey Katz) и Мэтью Рис (Matthew Reece) в 2013 году пришли к этой идее тем же путем, что и Оорт. Они попытались объяснить очевидную аномалию Млечного Пути. Так называемая «линия Ферми» представляет собой избыток гамма-лучей определенной частоты, приходящих из галактического центра. «Обычная темная материя не могла бы уничтожить достаточно, чтобы произвести линию Ферми, — говорит Рэндалл, — и поэтому мы подумали: что, если она намного плотнее?». Так темный диск получил вторую жизнь. Линия Ферми исчезла, когда появилось больше данных, но идея диска все равно стоила того, чтобы ее исследовать. В 2014 году Рэндалл и Рис предположили, что именно по причине диска возникают интервалы в 30-35 миллионов лет между нарастающей активностью комет и метеоров, которую некоторые ученые связывают с периодическими массовыми вымираниями. Каждый раз, когда Солнечная система скачет вверх или вниз на карусели Млечного Пути, утверждают они, гравитационный эффект диска может дестабилизировать астероиды и кометы в облаке Оорта — этой свалке на задворках нашей Солнечной системы, названной в честь астронома из Голландии. Эти объекты летят к внутренней части Солнечной системы, а некоторые падают на Землю.
Но Рэндалл и ее команда сделали лишь беглый, и как оказалось, неправильный анализ того, как много места в общей массе Млечного Пути остается для темного диска, если судить по движению звезд. «Они сделали несколько возмутительных заявлений», — сказал Бови.
Рэндалл, известная среди коллег своим упорством (по словам Риса), привлекла к делу Крамера, чтобы ответить на критику и «сгладить все морщины» в анализе, прежде чем станут доступны данные Gaia. Новый анализ показал, что в случае существования темного диска он не может быть таким плотным, как вначале полагала ее команда. Но для тонкого темного диска место все же нашлось, в связи с его стягивающим эффектом и дополнительной неопределенностью, вызванной чистым дрейфом звезд Млечного Пути, за которыми ведется наблюдение.
Крис Макки (Chris McKee) и его коллеги из Калифорнийского университета в Беркли выявили новую проблему, о которой написали в The Astrophysical Journal. Макки считает, что тонкий темный диск все еще может втиснуться в запас массы Млечного Пути. Но этот диск может быть настолько тонким, что просто разрушится. Ссылаясь на исследования 1960-х и 1970-х годов, Макки и его коллеги пишут, что диски не могут быть намного тоньше, чем диск видимого газа в Млечном Пути, так как в этом случае они разрушатся. «Возможно, темная материя обладает свойствами, которые отличаются от свойств обычной материи и препятствуют этому, но я не знаю, что бы это могло быть», — сказал Макки.
Рэндалл пока не парировала эту последнюю атаку, называя ее «непростым вопросом, который сейчас изучается». Она также согласилась с точкой зрения, высказанной Бови — что диск заряженных темных атомов несущественен по сравнению с природой 98% темной материи. Теперь она изучает возможность того, что вся темная материя может быть заряжена одной темной силой, но из-за избытка темных протонов по сравнению с темными электронами лишь крошечная часть связывается в атомы и выносится в диск. В таком случае диск и гало должны состоять из одних и тех же элементов, «что было бы более экономно», говорит она. «Мы думали, это можно исключить, но не получилось».
Пока что темный диск живет — как символ всего того, что неизвестно о темной стороне Вселенной. «Я думаю, для этой области очень и очень полезно то, что разные люди рассматривают самые разные идеи, — говорит Баллок. — Потому что мы понятия не имеем, что это такое — темная материя, и должны быть готовы к самым разным вариантам».
