Научный взгляд на устройство вселенной

476 МАСШТАБИРОВАНИЕ 
ВСЕЛЕННОЙ
заметно изменить среднюю плотность темной материи, но даже 
этих нечастых событий может оказаться достаточно, чтобы поро-
дить измеримый сигнал. Дело в том, что при аннигиляции частиц 
темной материи рождаются новые частицы, которые уносят прочь 
их энергию. В некоторых случаях, в зависимости от природы тем-
ной материи, при ее аннигиляции могут родиться обнаружимые 
частицы и античастицы Стандартной модели, такие как электро-
ны и позитроны или пары фотонов. Тогда астрофизические де-
текторы, способные регистрировать античастицы или фотоны, 
возможно, «увидят» и признаки этих аннигиляций.
Инструменты, занятые сейчас поиском продуктов аннигиля-
ции темной материи, первоначально предназначались совсем 
не для этой цели. Они были задуманы как телескопы или детек-
торы (космические или наземные) для регистрации света или ча-
стиц; ученые просто хотели лучше понять, что находится там, 
в небе. Увидев, что именно излучают звезды, галактики и всевоз-
можные экзотические объекты в них, астрономы могут многое уз-
нать о химическом составе астрономических объектов, выяснить 
свойства и природу звезд.
Философ Огюст Конт в 1835 г. ошибочно сказал о звездах: «Мы 
никогда и никакими средствами не сможем исследовать их хими-
ческий состав». Ему казалось, что это знание навсегда останется 
за пределами человеческих возможностей. Тем не менее после 
этих слов прошло не так уж много времени, когда в результате от-
крытия и интерпретации спектра Солнца — излученного или по-
глощенного света — мы узнали о составе нашего светила, и ошиб-
ка Конта была раз и навсегда доказана.
Сегодняшние эксперименты продолжают ту же миссию, пы-
таясь определить состав других небесных тел. Современные теле-
скопы очень чувствительны, и буквально с каждым месяцем мы 
узнаем об окружающем мире все больше и больше.
К счастью, наблюдения за светом и частицами, которыми уже 
занимаются самые разные приборы и установки, тоже могут про-
лить свет на природу скрытой массы. Поскольку античастицы 
во Вселенной встречаются относительно редко, а распределение 
энергии фотонов может обладать вполне определенными опознава-

ГОСТИ 
С ТЕМНОЙ 
СТОРОНЫ 477
емыми свойствами, подобные наблюдения со временем, возможно, 
удастся связать с темной материей. Пространственное распреде-
ление этих частиц, возможно, также позволит отличить продукты 
аннигиляции от более распространенных астрофизических фонов.
Система HESS (High Energy Stereoscopic System), расположен-
ная в Намибии, и система VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging 
Telescopic Array) в штате Аризона представляют собой объедине-
ние множества наземных телескопов, занятых поисками фотонов 
высоких энергий из центра нашей Галактики. А следующее поко-
ление очень высокоэнергетических гамма-обсерваторий — CTA 
(Cherenkov Telescope Array) — обещает еще более высокую чувстви-
тельность. Космический гамма-телескоп Ферми, ранее известный 
как GLAST, каждые 95 минут огибает Землю по орбите высотой 
550 км на спутнике, запущенном в 2008 г. Преимущество назем-
ных детекторов фотонов в том, что они собирают свет с громадной 
территории, тогда как чувствительнейшие инструменты телеско-
па Ферми дают много лучшее энергетическое разрешение и точнее 
определяют направление; они чувствительны к более низкоэнерге-
тическим фотонам и имеют в 200 раз более широкое поле зрения.
Любой из перечисленных инструментов может регистрировать 
фотоны — как образовавшиеся при аннигиляции темной материи, 
так и излученные электронами и позитронами, родившимися в ре-
зультате этой аннигиляции. Увидев те или другие, мы наверняка 
многое узнаем о характере и свойствах темной материи.
Другие детекторы занимаются в первую очередь поисками по-
зитронов — античастиц электронов. Физики, участвующие в рос-
сийско-итальянском спутниковом эксперименте PAMELA, уже со-
общили о своих находках, и они совсем не похожи на то, что про-
гнозировалось заранее (см. результаты эксперимента PAMELA 
на рис. 80). Название в данном случае представляет собой аббре-
виатуру не слишком понятной фразы Pay load for Antimatter Matter 
Exploration and Light-nuclei Astrophysics*. Мы пока не знаем, чему 
мы обязаны «лишними» событиями, которые зарегистрировал 
этот аппарат, — темной материи или неверной оценке астрономи-
* Что означает примерно следующее: полезный груз для исследования материи 
и антиматерии и астрофизики легких ядер. — 
Прим. пер.

478 МАСШТАБИРОВАНИЕ 
ВСЕЛЕННОЙ
ческих объектов, таких как пульсары. В любом случае результаты 
привлекли внимание и астрофизиков, и специалистов по физике 
элементарных частиц.
0,3
0,2
0,1
0,02
0,01
1
10
100
Доля позитронов
Энергия (ГэВ)
Данные PAMELA
Теоретическая 
зависимость (ошибочная) 
РИС
. 80.
Данные с прибора PAMELA показывают, как плохо экспе-
риментальные данные (кресты) о доле позитронов в зависимости 
от энергии согласуются с теоретическими прогнозами (пунктирная 
кривая)
Темная материя может также аннигилировать с образованием 
протонов и антипротонов. Более того, многие модели предсказы-
вают, что если уж частицы темной материи находят друг друга 
и аннигилируют, так чаще всего и происходит. Однако большое 
количество антипротонов, возникающих в Галактике в других из-
вестных астрофизических процессах, может маскировать сигналы 
от аннигиляции темной материи. И все же у нас, возможно, есть 
шанс увидеть темную материю при помощи антидейтронов — 
очень слабо связанных состояний антипротона и антинейтро-
на, — которые также могут возникать при аннигиляции темной 
материи. Альфа-магнитный спектрометр AMS-02, находящийся 
в настоящее время на Международной космической станции, 
а также специальные спутниковые системы, такие как GAPS 
(General Antiparticle Spectrometer), возможно, когда-нибудь «за-
секут» антидейтроны и откроют тем самым темную материю.

ГОСТИ 
С ТЕМНОЙ 
СТОРОНЫ 479
Наконец, ключом к непрямому обнаружению темной материи 
могут оказаться незаряженные частицы под названием нейтрино, 
участвующие только в слабом взаимодействии. Возможно, тем-
ная материя попадает в ловушку и оказывается запертой в центре 
Солнца или Земли. В таком случае единственным сигналом, кото-
рый смог бы выбраться оттуда, являются именно нейтрино, так 
как в отличие от других частиц они не взаимодействуют по пути 
с веществом. Поисками этих высокоэнергетических нейтрино за-
няты детекторы Baikal, AMANDA, Ice Cube и ANTARES.
Если нам удастся зафиксировать хотя бы один из перечис-
ленных сигналов — и даже если не удастся! — после этих экс-
периментов мы будем больше знать о природе темной материи, 
типичных для нее взаимодействиях и о ее массе. Пока же физики 
думают о том, какой сигнал следует ждать по прогнозам каждой 
из основных гипотез о темной материи. И, разумеется, мы зада-
емся вопросом о том, что могут означать уже полученные данные. 
Темная материя так слабо взаимодействует с материей обычной, 
что обнаружить ее будет очень непросто. Но можно надеяться, 
что установка разных, но действующих одновременно детекто-
ров темной материи в ближайшем будущем непременно позволит 
нам добиться успеха; добавив к этому результаты экспериментов 
на БАКе, мы сможем лучше понять, что скрывает в себе Вселенная.

Часть VI
ПОДВЕДЕМ ИТОГИ

жүктеу/скачать 8,11 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: