Астрофизика
Гамма-астрономия и темная материя
А.М. ГАЛЬПЕР,
доктор физико-математических наук
Национальный исследовательский ядерный университет
"МИФИ",
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
Гамма-излучение -наиболее высокоэнергетическая часть космического электромагнитного излучения. До настоящего времени целью наблюдений в этом энергетическом диапазоне было исследование физических процессов генерации и распространения ча-
стиц высоких энергий в космическом пространстве. Сегодня к этим научным задачам добавилось еще одно важное направление: исследование природы темной материи. Гамма-астрономия позволит сделать существенный вклад в решение проблемы темной материи.
ИЗ ИСТОРИИ ОТКРЫТИЯ ТЕМНОЙ МАТЕРИИ
В 1930-х гг. выдающиеся астрономы Я. Оорт, Ф. Цвикки и Э. Хаббл, наблюдая скопления галактик, обратили внимание на необычно высокие скорости вращения периферийных галактик вокруг центра скопления. Объяснением этому могла служить невидимая в оптическом диапазоне, рассеянная по всему
© Гальпер А.М.
скоплению и концентрирующаяся к центру дополнительная материя. Тем самым увеличивается масса скопления, и гравитационные силы притяжения удерживают периферийные быстро-вращающиеся галактики. Скрытая часть вещества Метагалактики получила название темной или даже черной материи (Земля и Вселенная, 2006, № 1).
С тех пор с развитием внеатмосферной астрономии наблюдались и другие проявления темной материи. Например, эффект линзирования (отклонение луча света на невидимом объекте) позволил обнаружить темную материю во многих внегалактических объектах, в том числе и в нашей Галактике. Предполагалось, что темная материя состоит из нейтрино (наилегчайшие
#
■ ■I ■
Атомы 4,6%
Темная энергия
Темная материя 23%
Нейтроны 10%
Темная материя 63%
Фотоны 15%
Атомы 12%
Диаграммы распределения материи (энергетический баланс) в Метагалактике в настоящее время (вверху) и через 380 тыс. лет после начала горячей стадии эволюции Метагалактики (внизу). На ранней стадии эволюции Метагалактики (13,7млрд лет назад) преобладание темной материи было еще больше.
нейтральные слабовзаи-модействующие частицы) или каких-то других частиц, но до сих пор ее природа осталась неизвестной.
Особый интерес к проблеме природы темной
4
материи возник после детальных исследований пространственного и температурного распределения космического микроволнового (реликтового) излучения, заполняющего Метагалактику.
В 2001-2003 гг. изучением реликтового излучения, образовавшегося на последних этапах горячей стадии эволюции Метагалактики в момент зарождения Вселенной, занималась американская космическая обсерватория "WMAP" (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe - микроволновое исследование анизотропии), названная в честь руководителя проекта Д. Уилкинсо-на. Собранная "WMAP" информация позволила ученым построить самую детальную на сегодняшний день карту флуктуации температуры распределения микроволнового излучения на небесной сфере (Земля и Вселенная, 2004, № 3, с. 110). Исследование поляризации реликтового излучения с более высоким разрешением, чем "WMAP", выполнила в 20102011 гг. европейская космическая обсерватория "Планк" (Земля и Вселенная, 2009, № 5, с. 43-45; 2010, № 6, с. 111).
На рубеже ХХ-ХХ1 вв. стало ясно, что усредненная плотность темной материи в Метагалактике в несколько раз превышает плотность обычной (барионной) материи, из которой состоят известные нам небесные объекты. В энергетическом балансе всей нашей Метагалактики около 72% составляет темная энергия, за темной материей остается 23% и на
Миллиметрон Радиоастрон "Спектр-М" "Спектр-УФ" "Спектр-Р" "Спектр-РГ"
"ГАММА-400"
¡ШР H V Ч
Инфра- ffiv/T, красный О W Рентгеновский Ч Гамма
1 А £
X, см
102 1 10~2 10"6 10"8 1(Г10 1О"12 10"
14
и, Гц
108 Ю10 1012 1014 1016 1018 1020 ю22 ю24
Е, кэВ
10"8 10-6 1(И 10"2 1 102 104 106 108
Шкала электромагнитного излучения и диапазоны измерений существующих российских космических программ.
обычную барионную материю приходится около 5%. Сегодня природа темной энергии, проявляющейся в ускоренном расширении Метагалактики, и темной материи -две наиболее серьезные проблемы космологии, астрономии, физики элементарных частиц, физики космических лучей (Земля и Вселенная, 2006, № 1). Астрофизические исследования продолжат российские космические обсерватории, предназначенные для
работы во всем электромагнитном спектре от радио- до гамма-диапазона.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
Что же такое темная материя? Ученые многих стран мира, теоретики и экспериментаторы, занимаются разгадкой природы темной материи. Уже выдвинуты различные гипотезы и около десятка теоретических моделей. При этом большинство специалистов предполагают, что темная материя состоит из тяжелых частиц, возникших на ранней стадии развития нашей Вселенной. Сегодня это остывшая ("холодная") темная материя, ее частицы должны обладать, по крайней
мере, следующими свойствами:
- гравитационным взаимодействием, возможно слабым, при этом другие взаимодействия отсутствуют;
- стабильностью или периодом естественного распада более возраста нашей Метагалактики;
- возможно, большой массой, в десятки и даже тысячи раз больше массы нуклона.
Частица с такими свойствами получила название "вимп" (аббревиатура, составленная из первых букв слов weakly interacting massive particle - слабовзаимо-действующая массивная частица).
Среди моделей есть такие, где частицы темной материи имеют элек-
У+У
е+ + е р+р
¿ + <1
Схемы самоаннигиляции и распада частиц темной материи с образованием известных частиц. Темными прямоугольниками отмечены промежуточные физические процессы аннигиляции и распада, которые различаются для указанных частиц.
Распад
трический заряд, или такие, где масса частицы много меньше электрона (в частности, аксионы). Существуют модели, в которых темная материя -это обычное вещество, но совершенно холодное и потому не излучающее ни в одном из диапазонов электромагнитного излучения. В моделях часто используется понятие горячей темной материи, то есть частиц, имеющих субрелятивистскую скорость.
Более подробно остановимся на наиболее разработанных, на наш взгляд, теоретических моделях суперсимметрии и многомерного пространства, в которых имеются частицы, претендующие на роль вимпов.
6
>
У+ .
е+ + Р+ .
Модель суперсимметрии связывает фер-мионы (частицы с полуцелым спином) и бозоны (частицы с целым спином) таким образом, что у каждого фермиона появляется суперпартнер бозон, обладающий такими же квантовыми числами, за исключением спина, а у каждого бозона - суперпартнер фермион, при этом взаимодействия между частицами или между их соответствующими суперпартнерами приводят к одинаковым результатам. Такое симметричное состояние среды могло существовать на ранней стадии развития Метагалактики, когда температура, как предполагается, достигала примерно 1029 К, что со-
ответствует взаимодействию частиц с энергией 1015 ГэВ. В этих условиях, как следует из теоретической модели, могли рождаться новые частицы, в том числе и суперсимметричные частицы с массой на несколько порядков больше масс нуклонов. Кроме того, они могли быть нейтральными и стабильными, а если распадались, то со временем полураспада, много большим времени жизни Метагалактики. Такие частицы получили название нейтралино (х). Важным свойством ней-тралино является то, что при столкновении друг с другом они могут аннигилировать (самоаннигилировать). Гипотетические нейтралино - блестящий кандидат на роль вимпа! Осталось их только обнаружить.
Модель многомерного пространства также предсказывает частицы, которые могут претендовать на роль ча-
стиц темной материи. Известно, что наше физическое пространство четырехмерно: три пространственные координаты и четвертая временная. Предположим, что число пространственных координат не три, а пять или еще больше. Это, на первый взгляд, непривычное, но простое предположение приводит к интересным последствиям: дополнительные координаты создают условия для появления новых частиц. Впервые описание взаимодействия частиц в рамках многомерной модели предложили математик Теодор Калу-ца и физик Феликс Клейн в 20-х годах прошлого ^ века. Впоследствии в
рамках таких моделей предсказано существование тяжелых частиц с ненулевой энергией (массой) в дополнительном измерении, или, как сегодня говорят, имеющих возбужденное состояние в дополнительном измерении. Примером такой частицы - кандидата на роль скрытой массы - является В-бо-зон Калуца - Клейна (Вкк) с массой, аналогичной нейтралино. Они также могли рождаться в ранней Метагалактике, когда температура среды была достаточно велика для образования частиц такой массы. Они могут самоаннигилировать и распадаться.
МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПОИСКА ЧАСТИЦ ТЕМНОЙ МАТЕРИИ
Главный вывод, следующий из рассмотренных моделей: в результате аннигиляции и распада Вкк и х на заключительном этапе появляются обычные частицы. Поскольку эти процессы происходят в космическом пространстве, в потоках космического излучения могут присутствовать частицы от аннигиляции и распада, то есть "следы" темной материи. Возможны прямые и косвенные методы регистрации этих частиц.
Прямые методы
I. Непосредственная регистрация акта упругого взаимодействия частиц темной материи с ядром обычного вещества. При упругом взаимодействии частица темной материи (например, нейтралино) передает часть своей энергии ядру, с которым сталкивается. Зная энергию ядра отдачи и предположительную скорость частицы темной материи, можно определить ее массу. В нескольких странах работает около двадцати подземных установок, применяющих различные вещества и использующих различные методы регистрации энергии ядра отдачи, на которых предполагается зарегистрировать акт рассеяния. Вероятность упругого рассеяния ча-
стиц темной материи на обычном веществе крайне мала, и результаты измерений далеко неоднозначны. Имеются лишь указания на массу вимпа, равную 5-25 массам протонов. Существование частиц такой массы практически не противоречит теоретическим моделям, однако тогда они должны были бы рождаться в экспериментах на
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.