Теории относительности поставят космический градусник

О непонятном эффекте, вскрывшемся при обработке данных о движении межпланетных космических аппаратов, в первую очередь американских Pioneer 10 и Pioneer 11, ученые всего мира впервые услышали 11 лет назад, в августе 1998 года. Эффект быстро прозвали аномалией «Пионеров». Заключается он в очень слабом, но постоянном замедлении межпланетных станций, которое не вписывается в расчеты. Величина этого ускорения -- около 1 нм/c², или 3 см/c/год, что ничтожно по бытовым меркам, однако надежно измерено и требует объяснения.

Природа этой аномалии остается предметом споров. Некоторые вполне авторитетные физики считают, что это признаки «новой физики», нашего недопонимания истинной природы гравитации или квантовой теории (или того и другого). Другие, не менее уважаемые специалисты считают, что открытый 11 лет назад эффект уже «закрыт», в первую очередь благодаря работам одного из его открывателей -- Вячеслава Турышева, показавшего, что таким «аномальным» образом могут проявляться неравномерности прогрева «Пионеров».

Новая аномалия

Тем не менее три года назад, аккурат к восьмой годовщине открытия аномалии «Пионеров», та же группа авторов (за вычетом Турышева) нашла теоретикам новую головную боль. Анализируя данные слежения за космическими аппаратами в ходе гравитационного маневра вблизи Земли, ученые зафиксировали аномальные изменения скорости межпланетных станций. Этот эффект по аналогии с прежним назвали пролетной аномалией.

Точность измерения скорости космических аппаратов в окрестностях нашей планеты достигает примерно 0,1 мм/c (около 0,0004 км/час -- ни одному гаишнику с радаром и не снилось). А расхождение между расчетной и измеренной скоростями движения на облетных траекториях достигало 13,5 мм/с. Такое значение не спишешь на ошибки в измерениях.

Примерно полтора года назад ученые даже вывели единый и довольно простой эмпирический закон, в который отлично вписались аномалии движения пяти совершенно не похожих аппаратов, в разное время сближавшихся с Землей по дороге к дальним планетам. Добавки и недостачи энергии движения, которые обнаружились у станций Cassini, Galileo, MESSENGER, NEAR и Rosetta, оказались все как один пропорциональны изменению косинуса угла между «входящим» и «исходящим» отрезками облетной траектории. Не то чтобы этот закон что-то объяснил, но игнорировать эффект стало еще сложнее.

Объяснений облетной аномалии предложено немало, от совершенно обыденных вроде ошибки в определении положения Земли при анализе данных до предельно экзотических вроде кардинальной модификации частной и общей теорий относительности. Последние принято объединять термином «новая физика». На ее фоне новое объяснение, выдвинутое Стивеном Адлером из Института передовых исследований в американском Принстоне, кажется едва ли не консервативным. По его мнению, в пролетной аномалии повинна темная материя, конденсирующаяся вблизи Земли.

Темное рассеяние

Гипотеза Адлера состоит в том, что лишнее ускорение возникает за счет рассеяния частиц темной материи на протонах и нейтронах того вещества, из которого состоит облетающий Землю космический аппарат. Если обычный и «темный» миры не изолированы друг от друга напрочь, а связаны хоть каким-то взаимодействием (помимо гравитационного), время от времени частицы темного вещества и атомных ядер будут сталкиваться, передавая друг другу энергию. По расчетам Адлера, это взаимодействие может как ускорить, так и затормозить спутник, в зависимости от траектории. При этом зависимость оказывается похожей как раз на тот универсальный закон, что эмпирически вывели первооткрыватели эффекта.

В существовании формы материи, которая почти не взаимодействует с обычным веществом, не сомневаются большая часть ученых. Гравитационные признаки ее наличия астрономы видят повсюду -- и в орбитах звезд внутри Галактики, и во взаимном хороводе галактик в скоплениях, и в самой крупномасштабной структуре космоса, которая вряд ли могла сформироваться без дополнительного притяжения невидимого вещества. Так что в принципе наличие темной материи в окрестностях Земли не только неудивительно, но и вполне ожидаемо.

Взаимодействие между обычным и темным веществами также нельзя считать особо смелым предположением. В арсенале физиков-теоретиков есть десятки, если не сотни конкурирующих теорий, который объясняют существование темной материи и допускают возможность обмена энергией между обычным и темным веществами.

Более того, существуют даже экспериментальные данные, которые недвусмысленно указывают на наличие такого взаимодействия в природе. Это в первую очередь предварительные данные исследовательских проектов PAMELA, ATIC и Fermi, которым, возможно, удалось наблюдать превращение частиц темной материи в частицы обычного вещества. Кроме того, существует эксперимент DAMA/LIBRA, который напрямую почувствовал «удары» частиц темной материи по детектору (по крайней мере так утверждают его создатели; независимого подтверждения этих данных до сих пор нет).

Итак, темная материя есть и наверняка может взаимодействовать с видимым веществом. Почему же тогда не принять объяснение, предложенное Адлером, и навеки не забыть о призраках «новой физики»?

Тень на плетень

Дело в том, что параметры темной материи, которые нужны для устранения аномалии, совсем не похожи на те, что кажутся естественными большинству других ученых. «Темная частица Адлера» должна гораздо охотнее участвовать во взаимодействии с протонами и нейтронами, чем того хотелось бы большинству теоретиков. Чтобы при этом не нарушить другие имеющиеся ограничения на это взаимодействие, те же частицы должны быть существенно легче, чем принято считать.

Однако легкость в свою очередь мешает частицам копиться в окрестностях Земли, а чтобы объяснить аномалию, их рядом с нами должно быть много. В итоге Адлеру приходится задействовать неуклюжую идею накопительного каскада, согласно которой плотность темного вещества рядом с Землей существенно выше, чем в Солнечной системе, а в Солнечной системе -- существенно выше, чем в среднем по Галактике. Это не очень естественно, не очень красиво и до конца непонятно.

В общем, чтобы спастись от «новой физики», приходится городить какие-то колченогие схемы, и что лучше -- большой вопрос. В подобных ситуациях решающее слово всегда за экспериментом.

Космический градусник

Похоже, Адлер наконец придумал, как экспериментально проверить его пока исключительно умозрительную теорию. Предложение Адлера -- поставить на космический аппарат, пролетающий рядом с Землей, своего рода градусник, а точнее, хорошо изолированный от внешнего мира калориметр -- измеритель тепловой энергии.

Ученый и в прежних своих работах вскользь упоминал об этом эффекте. Суть его очень проста: энергия и импульс, которые передаются протонам и нейтронам атомных ядер при взаимодействии с частицами темной материи, зависят от параметров движения первых относительно вторых. А значит, помимо некоторого общего для всех «среднего» импульса, который и порождает аномалию, должен быть некоторый разброс в движении частиц. Этот разброс с точки зрения термодинамики представляет собой теплоту, выделяющуюся при движении межпланетной станции через облако окружающих Землю темных частиц -- независимо от того, ускоряют они аппарат или замедляют его.

Именно это тепло ученый и предлагает искать в своей новой работе, для чего, по его мнению, нужно оснащать точными калориметрами будущие межпланетные станции, которые будут совершать гравитационные маневры вблизи массивных тел. Можно также проанализировать имеющиеся телеметрические данные -- для тех же Galileo или NEAR, к примеру -- на предмет аномального нагрева во время пролета мимо Земли. Свою идею Адлер представил на рассмотрение комиссии Национальной академии наук США, которая занимается планированием космических исследований на следующее десятилетие. С обоснованием этого предложения можно ознакомиться на сайте электронных препринтов Корнельского университета.

Неопределенность

Впрочем, величина эффекта сильно зависит от целого ряда по-прежнему неизвестных параметров, включая массу частиц темной материи и относительный вклад во взаимодействие упругих и неупругих процессов. Для частицы массой 1 МэВ изменение температуры, соответствующее пролету мимо Земли, может составить от миллионных долей до тысяч градусов, так что неопределенность этих предсказаний остается очень значительной.

Независимо от финального исхода приятно сравнить это с точностью теории относительности, благодаря которой мы можем вычленить непонятный эффект. Новая физика, если она есть, еще только-только начинается.