Щодо темної матерії звучать такі екзотичні слова, як вімпи, стерильні нейтрино, аксіони, а її дослідники схожі на Шерлока Голмса: відкидають усі неможливі варіанти, аби залишити один, хай яким дивним він буде. Тиждень поспілкувався із докторантом Інституту теоретичної фізики імені Миколи Боголюбова НАН України, кандидатом фізико-математичних наук Дмитром Якубовським про невидимий Всесвіт, пошук «претендентів» у частинки темної матерії, а також про фінансування теоретичних фундаментальних досліджень в Україні.
Гіпотеза темної матерії — досить давня наукова концепція. Коли і в зв’язку з якими дослідженнями про неї заговорили вперше?
— Питання темної матерії постало, коли Фріц Цвіккі в 1930-х роках обраховував рух галактик відносно центру скупчення Волосся Вероніки. Він зрозумів, що видимої маси, наприклад зірок, буде недостатньо для того, щоб тримати це скупчення разом, у гравітаційно зв’язаному стані. Він одразу охрестив проблему Dunkle Materie (темна матерія). Цвіккі припустив, що в скупченні галактик Волосся Вероніки є приблизно в 300 разів більше речовини, ніж ми можемо припустити по тому світлу, яке вона випромінює. Слід сказати, що ця робота на тривалий час була забута, на неї майже не посилалися. А в 1970-х роках почали створювати потужні радіотелескопи, які давали змогу з небаченою раніше точністю вимірювати швидкість обертання газу в рукавах галактик. Цей газ випромінює в радіодіапазоні, і залежно від швидкості його обертання від центру галактики астрономи намагалися відтворити розподіл маси. Виявилося, що він не збігається з розподілом маси матерії, яку можна побачити в оптичному діапазоні. Зокрема, бо велика частина гравітуючої маси перебуває на периферії галактик, тоді як світної речовини там значно менше.
Читайте також: Відлік ядерної ери
А чи можна було інакше описати цю аномалію, без уведення нової субстанції?
— Звичайно, були альтернативні інтерпретації, наприклад, що на краях галактик якісь інші зорі, масивніші тощо. Усі ці гіпотези з часом відкидали. І починаючи з 1970-х років завдяки накопиченню даних усе достовірніше підтверджувалася гіпотеза, що це не звичайна речовина.
Спостереження в рентгенівському діапазоні показали, що в скупченнях галактик є розігрітий газ, якого в декілька разів більше за масою, ніж, власне, самих галактик. Але ж проблему Цвіккі це не вирішувало. Маси газу було недостатньо. Зараз вважається, що темної матерії в 5 разів більше, ніж усієї іншої. Крім того, із 1990-х почали застосовувати гравітаційне лінзування. Якщо між нами й далеким об’єктом розташоване скупчення галактик, світло має викривлятися, і за цим викривленням можна судити про масу речовини в ньому. Ми знову отримали свідчення, що звичайної маси не вистачає. Ще один аргумент: у 1980-х уже була розроблена теорія Великого вибуху. Реліктове випромінювання дає змогу бачити розподіл речовини у Всесвіті, коли його вік становив «усього» 300 тис. років. Згідно із теорією, на той час у Всесвіті були неоднорідності, дуже маленькі, й відхилення становили 1 на 100 000.
Неоднорідності визначаються за флуктуаціями температури реліктового випромінювання. Якщо взяти класичні закони гравітації й промоделювати еволюцію Всесвіту з того часу до нашого, то флуктуації розвивалися б лінійно. Наш Всесвіт був би однорідним! Це суперечить усьому, що ми бачимо. Речовина була б однорідно розподілена по ньому із відхиленням в 1%. Якби не було темної матерії, наш Всесвіт був би абсолютно інший!
Хочу підкреслити, що я навів декілька незалежних прикладів спостережень, які вказують на наявність темної матерії. Про ту ж темну енергію ми знаємо значно менше.
Читайте також: Тінь пітьми
Темну енергію ввели для пояснення розширення Всесвіту із прискоренням. Окрім цього, які є свідчення її існування?
— Її ввів іще Айнштайн. Він вірив, що Всесвіт не змінюється із часом. Та відразу побачив, що розв’язок його рівнянь не дає можливості зробити Всесвіт сталим. Айнштайн ввів космологічну константу в рівняння, «підправив» їх. Та досить швидко зрозумів, що й новий розв’язок не є стабільним: із часом невеличкі відхилення від нього наростали б, і ймовірність, що таке реалізується в природі, дуже низька. Тоді він заявив, що космологічна константа була найбільшою помилкою в його науковій кар’єрі. Та через 70 років її «перевідкрили». Бо в 1990-ті накопичили дані, що Всесвіт розширюється із прискоренням. Вони базуються на дослідженні наднових зірок, які мають однакову світність і по якій можна визначити відстань до них. І довідатися, як швидко Всесвіт розширювався в минулому. Виявилося, що розширення прискорюється. Що контрінтуїтивно! Бо відомо, що на великих масштабах домінує саме гравітація, яка завжди діє на притягання, а отже, вона мала б сповільнювати розширення. Нині можна сказати, що на великих масштабах фактично домінує антигравітація.
Темна енергія поводиться схоже на космологічну константу Айнштайна. Та, з одного боку, зі спостережень ми не можемо відрізнити просто космологічну константу, густина енергії якої не змінюється з часом, від квантових флуктуацій енергії вакууму. З іншого боку, це може бути, наприклад, невідоме скалярне поле, яке зараз скотилося до мінімуму свого положення, якому відповідає позитивна енергія вакууму. Треба чекати нові дані, що дадуть змогу обрати поміж цими гіпотезами. На щастя, вони наразі плануються. Нині триває експеримент Dark Energy Survey, потім будуть космічна місія «Евклід» та телескоп «Джеймс Вебб», що прийде на заміну «Габблу». Усі ці дані дадуть змогу дізнатися більше про структуру Всесвіту й темну енергію.
Повертаючись до темної матерії. Ви казали, що без неї Всесвіт був би одноріднішим, за даними реліктового випромінювання. Як вона впливала на Всесвіт на початку його існування?
— Ми знаємо небагато про неї до епохи реліктового випромінювання. Дані спостережень обмежені лише тим, що відомо про первинний нуклеосинтез. Нині в Сонці 25% гелію. Якби всі зірки світили б 13 млрд років, то мало б утворитися із водню не 25% гелію, а 0,25%. Умовно кажучи, гелію в нас в 100 разів більше, ніж якби його первинним джерелом була конверсія водню. Цю проблему вирішив Джордж Гамов у працях про космічний нуклеосинтез. Саме він і створив модель Великого вибуху, аби пояснити надлишок гелію. Проблема в тому, що теорія нуклеосинтезу нічого не може нам сказати про темну матерію. Лише як обмеження: вона не могла б інтенсивно розпадатися на звичайні частинки.
Зараз вважається, що темна матерія не може складатися із жодної з відомих частинок. І будь-який великий експеримент у фізиці частинок якось пов’язаний із дослідженням темної матерії.
Читайте також: Гаряча холодна надпровідність
Такі дослідження ведуться методом виключення малоймовірних кандидатів у темну матерію. Які найпоширеніші серед науковців гіпотези щодо її складу?
— Їх чимало, виділю кілька основних. Та, що нині на слуху в багатьох, — вімпи, від абревіатури WIMP, Weakly Interacting Massive Particles (слабко взаємодіючі масивні частинки). Вони повинні мати масу в декілька десятків чи сотень разів більшу за масу протону, нульовий заряд і взаємодіяти слабко зі звичайною речовиною, як нейтрино. Абсолютно не взаємодіяти не можуть, адже вони мали якось утворитися в ранньому Всесвіті? Вони були досить популярні у 1980-х, адже з міркувань симетрії ці частинки мають бути абсолютно стабільними. Інакше вони розпадалися б швидше за нейтрон, який живе приблизно 1000 секунд. Ця стабільність означала б наявність нової симетрії. На її роль пробували суперсиметрію — гіпотетичну симетрію між бозонами й ферміонами, саме дуже популярну модель у 1980-х. Одна із можливих вімпів — нейтраліно. Частинка найменшої маси, що має ненульове квантове число, пов’язане із суперсиметрією. Нейтрон, що вилучили із ядра, проживе в середньому близько 1000 секунд. Та протон й електрон не розпадаються. Чому? Бо протон найлегша частинка, що зберігає баріонне число. Йому просто немає в що розпастися. Так само й електрон, найменша частинка з зарядом. Баріонне число — деякий аналог заряду електрона, введений, щоб математично коректно описати реакції з перетворенням баріонів. З електроном простіше — закон збереження заряду всі знають зі школи. От електрон не розпадається, тому що заряд зберігається, йому ні в що розпадатися.
На другому місці серед кандидатів я поставив би правокіральні нейтрино, або ж стерильні нейтрино, або важкі нейтральні лептони, як їх іще інколи називають. Звичайні нейтрино мають спін, що направлений проти імпульсу. Електрони мають спін по імпульсу чи проти, як і всі інші ферміони Стандартної моделі, крім нейтрино. Це дивно. Таке враження, що ми бачимо половину можливих нейтрино. Логічно ввести ще одну половинку, яка відрізнялася б від звичайних нейтрино, припустімо, більшою масою. Звичайні нейтрино беруть участь лише в електрослабкій взаємодії, так що їм легко пролітати крізь об’єкти: зірки, планети, нас із вами. Ці праві нейтрино могли б взаємодіяти ще слабкіше, ніж звичайні. Вони й могли б бути кандидатами на роль темної матерії.
Також є аксіони. Гіпотетичні частинки, які могли б вирішити проблему аномально маленького дипольного моменту нейтрона. Якщо робити розрахунки без купи обмежень, він був би щонайменше в десятки мільярдів разів більшим за передбачення Стандартної моделі. Звичайно, завжди можна відповісти «так уже в природі сталося», а можна поміркувати. Одним із варіантів є розширення Стандартної моделі за допомогою так званої U(1) симетрії, порушення якої привело до утворення аксіонів. Виявилося, що можна підібрати їхні параметри так, щоб вони пояснили існування темної матерії.
Ці гіпотетичні частинки досить різноманітні, чи відрізняється дизайн експерименту з пошуку кожної з них?
— Для кожної моделі потрібна своя стратегія спостережень. Стерильні нейтрино немає сенсу шукати в IceCube (нейтринний детектор на Південному полюсі. — Ред.) або на Колайдері. А шукати вімпи має сенс. Стерильні нейтрино шукають у рентгенівських даних із супутників. Бо вони мають давати слабкий сигнал від лінії розпаду — розпадатися на фотон і звичайне нейтрино. І оскільки частинка темної матерії перебуває майже в спокої, то виходить двочастинковий розпад, коли фотон і нейтрино забирають половину енергії, половину від mc2. Це приводить до утворення фіксованої лінії в спектрі, яку можна детектувати. Аксіони шукають, наприклад, за допомогою телескопа CAST (CERN Axion Solar Telescope. — Ред.). Цей телескоп — магніт, захований від будь-яких зовнішніх випромінювань і направлений на Сонце. Якби через нього проходили аксіони, з невеликою ймовірністю вони, взаємодіючи з магнітним полем, перетворилися б на фотони.
Дослідженнями яких моделей ви займаєтеся в Інституті імені Боголюбова?
— Ми досліджуємо насамперед стерильні нейтрино та їхні можливі вияви в рентгенівських спектрах. Зокрема, ми кілька років тому зі співавторами спостерігали лінію випромінювання на енергії 3,5 кеВ (кілоелектронвольт) у спектрах ряду космічних об’єктів. Згідно із нашою гіпотезою, таку лінію мала б дати при розпаді темна матерія. Статус цієї лінії поки що не визначено остаточно, зокрема вона може прийти як лінія випромінювання великої кількості калію, збудженого до високих температур. Але наразі не всі спостереження підтверджують цю гіпотезу. Думаю, за кілька років зможемо точно відповісти, ця лінія залишається чи ні. Якщо так, то це може бути ознакою стерильних нейтрино.
Чи в Україні займається темною матерією ще хтось, окрім вашої групи?
— Є також група в Інституті ядерних досліджень НАН України, яка експериментально досліджує вімпи. Є чимало астрономів, які намагаються щось сказати про темну матерію на основі спостережень. У Головній астрономічній обсерваторії НАН України, в Харкові на радіотелескопі. У Криму були такі групи. Також є багато науковців, які ведуть теоретичні дослідження темної матерії, зокрема в Києві, Львові, Дніпрі, Харкові, Одесі.
Читайте також: Реформа науки. З багатьма невідомими
Яким чином здійснюється фінансування вашої групи?
— У нас є грант від НАНУ для створення лабораторії молодих вчених, 1 млн грн цього року. 55% гранту можна видати у формі зарплатні, що дає можливість молодим співробітникам, які працюють у Києві, отримувати конкурентні за українськими мірками зарплати. Також вони мають можливість фінансування міжнародних поїздок та стажувань за своїми темами. Це дає змогу проводити дослідження на рівні найкращих світових стандартів. Так, один зі співробітників нашої лабораторії, Антон Рудаковський, стажувався в Пізі — там є потужна група з нашої тематики. Він досліджує, як стерильні нейтрино впливають на епоху темних віків та реіонізацію, коли Всесвіт знову почав світитися. Інший наш співробітник, Денис Савченко, був в Тюбінгені, працював над аксіонами: він зі співавтором намагається поставити нові обмеження на параметри та знайти сигнали від них. У центрі галактик потужне магнітне поле, яке, теоретично, перетворювало б аксіони на фотони, із можливістю оцінити, скільки там має бути аксіонів.
Цього року запускається Національний фонд досліджень, наскільки він буде корисний вашим дослідженням?
— Сподіваюся, що буде. Чимало представників прогресивної частини української наукової спільноти мають надію, що він запрацює якнайшвидше й сприятиме створенню прозорого та ефективного розподілу грантового фінансування. Фактично він наступник Державного фонду фундаментальних досліджень. Я багато разів брав участь у конкурсах ДФФД, двічі вигравав, та гроші приходили пізно — буквально за пару тижнів до того, як ми мали закінчити проект. Та і їх було недостатньо для повноцінної роботи. В НФД ж обирали за принципом рекомендацій від наукової спільноти та їхньої репутації, що має зменшити ризики перетворення Фонду на черговий непрозорий конкурс проектів.
———-
Дмитро Якубовський народився 1983 року. Випускник кафедри квантової теорії поля фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка (2004), кандидат фізико-математичних наук (2010), докторант Інституту теоретичної фізики ім. М. М. Боголюбова, колишній співробітник Інституту імені Нільса Бора в Копенгагені. Досліджує, окрім іншого, властивості стерильних нейтрино — можливих кандидатів на роль частинок темної матерії.