MOSKVA, 31. listopada - RIA Novosti, Olga Kolentsova. Proračuni znanstvenika pokazali su da se Svemir 95% sastoji od materije koju ljudi još nisu istražili: 70% je tamna energija, a 25% tamna tvar. Pretpostavlja se da je prvo vrsta polja s energijom različitom od nule, ali se drugo sastoji od čestica koje se mogu detektirati i proučavati. Ali nije uzalud ova tvar nazvana skrivenom masom - njezina potraga traje dosta vremena i popraćena je žestokim raspravama među fizičarima. Kako bi svoje istraživanje iznijeli u javnost, CERN je čak inicirao Dan tamne materije, koji se prvi put obilježava danas, 31. listopada.
Zagovornici postojanja tamne tvari daju prilično teške argumente, potvrđene eksperimentalnim činjenicama. Njegovo prepoznavanje počelo je tridesetih godina XX. stoljeća, kada je švicarski astronom Fritz Zwicky izmjerio brzinu kojom se galaksije skupa Coma kreću oko zajedničkog središta. Kao što znate, brzina kretanja ovisi o masi. Znanstvenici su izračuni pokazali da prava masa galaksija mora biti mnogo veća od one utvrđene u procesu promatranja teleskopima. Pokazalo se da nam prilično velik dio galaksija jednostavno nije vidljiv. Stoga se sastoji od materije koja ne reflektira niti apsorbira svjetlost.
Druga potvrda postojanja skrivene mase je promjena svjetlosti dok ona prolazi kroz galaksije. Činjenica je da bilo koji objekt s masom iskrivljuje pravocrtni tijek svjetlosnih zraka. Tako će tamna tvar napraviti svoje promjene u svjetlosnoj slici (slika udaljenog objekta), te će postati drugačija od slike koju bi stvorila samo vidljiva materija. Postoji deset dokaza za postojanje tamne tvari, ali dva opisana su glavna.
© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS
© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS
Iako su dokazi o postojanju tamne tvari prilično uvjerljivi, do sada nitko nije pronašao i proučavao čestice koje je čine. Fizičari sugeriraju da je takva tajnovitost posljedica dva razloga. Prvi je da te čestice imaju previsoku masu (povezanu s energijom kroz formulu E=mc² ), pa mogućnosti suvremenih akceleratora jednostavno nisu dovoljne za "stvorenje" takve čestice. Drugi razlog je vrlo mala vjerojatnost pojave tamne tvari. Možda ga ne možemo pronaći upravo zato što izuzetno slabo komunicira s ljudskim tijelom i nama poznatim česticama. Iako je tamna tvar posvuda (prema proračunima) i njezine čestice doslovno svake sekunde jure kroz nas, mi to jednostavno ne osjećamo.
Kako bi otkrili čestice tamne tvari, znanstvenici koriste detektore koji se nalaze pod zemljom kako bi se smanjili nepotrebni udari. Pretpostavlja se da se povremeno čestice tamne materije i dalje sudaraju s atomskim jezgrama, prenose im dio zamaha, izbijaju elektrone i izazivaju bljeskove svjetlosti. Učestalost takvih sudara ovisi o vjerojatnosti interakcije čestica tamne tvari s jezgrom, njihovoj koncentraciji i relativnoj brzini (uzimajući u obzir gibanje Zemlje oko Sunca). Ali eksperimentalne skupine, čak i kada su otkrile neki udar, poriču da je ovaj odgovor detektora uzrokovala tamna tvar. I samo talijanska eksperimentalna skupina DAMA, koja radi u podzemnom laboratoriju Gran Sasso, izvještava o uočenim godišnjim varijacijama u stopi brojanja signala, vjerojatno povezanih s kretanjem Zemlje kroz galaktičku skrivenu masu.
© Fotografija: SuperCMDS Collaboration
U ovom eksperimentu, broj i energija bljeskova svjetlosti unutar detektora mjere se tijekom nekoliko godina. Istraživači su dokazali prisutnost slabih (oko 2%) godišnjih fluktuacija u stopi broja takvih događaja.
Iako talijanska skupina samouvjereno brani pouzdanost eksperimenata, mišljenja znanstvenika o ovom pitanju prilično su dvosmislena. Glavna slaba točka rezultata dobivenih od strane talijanske skupine je njihova neponovljivost. Na primjer, kada su otkriveni gravitacijski valovi, otkrili su ih laboratoriji diljem svijeta, čime su potvrdili podatke koje su dobile druge skupine. U slučaju DAMA-e situacija je drugačija – nitko drugi na svijetu ne može se pohvaliti istim rezultatima! Naravno, postoji mogućnost da ova skupina ima moćnije detektore ili vlastite metode, ali ova jedinstvenost eksperimenta izaziva sumnju nekih istraživača u njegovu pouzdanost.
"Još nije moguće reći na što se točno odnose podaci prikupljeni u laboratoriju Gran Sasso. U svakom slučaju, grupa iz Italije dala je pozitivan rezultat, a ne poricanje nečega što je već senzacija. Sada su pronađeni signali A to je veliki poticaj za razvoj raznih teorija, uključujući i one posvećene stvaranju modela tamne tvari. Ali čak i ako znanstvenik pokuša objasniti zašto se dobiveni podaci ni na koji način ne odnose na tamne materije, ovo još uvijek može biti novi korak u razumijevanju prirode. U svakom slučaju, rezultat je i moramo nastaviti s radom, ali ja se osobno ne mogu u potpunosti složiti da je tamna materija trenutno pronađena,” komentira Konstantin Belotsky, vodeći istraživač na Odjelu za fiziku elementarnih čestica Nacionalnog istraživačkog nuklearnog sveučilišta MEPhI.
Tamna tvar ne emitira niti apsorbira svjetlost, praktički ne stupa u interakciju s "običnom" materijom, znanstvenici još nisu uspjeli uhvatiti niti jednu "tamnu" česticu. Ali bez toga, nama poznat Svemir, a ni mi sami, ne bi mogao postojati. Na Dan tamne materije, koji se obilježava 31. listopada (fizičari su odlučili da je to pravo vrijeme da se priredi praznik u čast tamne i neuhvatljive tvari), N+1 pitao je Andreja Doroškeviča, voditelja Odjela za teorijsku astrofiziku Astrosvemirskog centra Fizičkog instituta Lebedeva, o tome što je tamna tvar i zašto je toliko važna.
N+1: Koliko su danas znanstvenici uvjereni da tamna tvar stvarno postoji?
Andrej Doroshkevich: Glavni dokaz su opažanja fluktuacija kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja, odnosno rezultati koje su letjelice WMAP i "" dobile tijekom proteklih 15 godina.
Izmjerili su perturbaciju temperature kozmičke mikrovalne pozadine, odnosno kozmičke mikrovalne pozadine, s velikom točnošću. Ove perturbacije su sačuvane od ere rekombinacije, kada se ionizirani vodik pretvorio u neutralne atome.
Ova mjerenja su pokazala prisutnost fluktuacija, vrlo malih, oko jedne desettisućinke kelvina. Ali kada su te podatke počeli uspoređivati s teorijskim modelima, otkrili su važne razlike koje se ne mogu objasniti ni na koji drugi način osim na prisutnost tamne tvari. Zahvaljujući tome, uspjeli su izračunati udjele tamne i obične tvari u Svemiru s točnošću do postotka.
Raspodjela materije u svemiru (s lijeva na desno) prije i poslije podataka s Planckovog teleskopa
Znanstvenici su poduzeli mnogo pokušaja da se riješe nevidljive i neprimjetne tamne tvari, stvorene su teorije modificirane gravitacije, poput MOND-a koje pokušavaju objasniti uočene učinke. Zašto su modeli tamne tvari poželjniji?
Situacija je vrlo jednostavna: moderna Einsteinova teorija gravitacije dobro funkcionira na zemaljskim razmjerima, sateliti lete u strogom skladu s tom teorijom. I vrlo dobro djeluje na kozmološkim ljestvicama. A svi moderni modeli koji mijenjaju gravitaciju ne mogu sve objasniti. Oni uvode nove konstante u Newtonov zakon, koji omogućuje objašnjenje učinaka prisutnosti tamne tvari na razini galaksija, ali promašuje na kozmološkoj ljestvici.
Može li otkriće gravitacijskih valova pomoći ovdje? Možda će pomoći odbaciti neke od teorija?
Ono što su gravitacijski valovi sada izmjerili je ogroman tehnički, a ne znanstveni uspjeh. Da postoje znalo se prije 40 godina kada je otkriveno gravitacijsko zračenje binarnog pulsara (posredno). Promatranja gravitacijskih valova još jednom su potvrdila postojanje crnih rupa, iako prije nismo sumnjali u to, ali sada ovdje imamo manje-više izravne dokaze.
Oblik učinka, promjene gravitacijskih valova sa snagom, mogu nam dati vrlo korisne informacije, ali trebamo pričekati još pet do deset godina dok ne budemo imali dovoljno podataka za preciziranje teorija gravitacije.
Kako su znanstvenici učili o tamnoj tvari
Povijest tamne tvari započela je 1933. godine, kada je astronom Fritz Zwicky proučavao raspodjelu brzina galaksija u skupu smještenom u zviježđu Berenice Coma. Otkrio je da se galaksije u jatu kreću prebrzo, a ako se uzme u obzir samo vidljiva materija, jato ne bi moglo biti stabilno – galaksije bi se jednostavno raspršile u različitim smjerovima.
U članku objavljenom 16. veljače 1933. Zwicky je sugerirao da ih zajedno drži nevidljiva gravitacijska tvar, Dunkle Materie.
Nešto kasnije, nesklad između "vidljive" mase galaksija i parametara njihova kretanja potvrdili su i drugi astronomi.
Godine 1958. sovjetski astrofizičar Viktor Ambartsumyan predložio je vlastito rješenje za Zwickyjev paradoks. Po njegovu mišljenju, nakupine galaksija ne sadrže nikakvu nevidljivu materiju koja bi ih gravitacijsko držala. Jednostavno promatramo nakupine u procesu raspadanja. Međutim, većina astronoma nije prihvatila ovo objašnjenje, budući da u tom slučaju životni vijek klastera ne bi bio duži od milijardu godina, a s obzirom na to da je životni vijek Svemira deset puta duži, do danas jednostavno ne bi bilo klastera.
Općeprihvaćene ideje o tamnoj materiji govore da se ona sastoji od WIMP-a (WIMP-a), masivnih čestica koje jedva stupaju u interakciju s česticama obične materije. Što se može reći o njihovim posjedima?
Imaju prilično veliku masu – i to je gotovo sve, ne možemo ni imenovati točnu masu. Putuju na velike udaljenosti bez sudara, ali poremećaji gustoće u njima ne propadaju čak ni na relativno malim razmjerima - a to je jedino što nam je danas potrebno za modele.
CMB nam daje karakteristike tamne tvari na velikim razmjerima, na skalama jata galaksija. No, da bismo se "spustili" na ljestvicu malih galaksija, prisiljeni smo koristiti teorijske modele.
Samo postojanje malih galaksija sugerira da su čak i na relativno malim razmjerima postojale nehomogenosti koje su nastale nedugo nakon Velikog praska. Takve nehomogenosti mogu izblijedjeti, izgladiti se, ali sigurno znamo da nisu izblijedjele na ljestvici malih galaksija. To sugerira da te čestice tamne tvari moraju imati svojstva takva da te perturbacije opstaju.
Je li ispravno reći da su zvijezde mogle nastati samo zbog tamne tvari?
Ne baš. Bez tamne tvari, galaksije se ne bi mogle formirati, a zvijezde se ne mogu formirati izvan galaksija. Za razliku od tamne tvari, barioni su uvijek vrući, u interakciji su s pozadinskim zračenjem. Stoga se ne mogu sami sastaviti u zvijezde, gravitacija bariona zvjezdane mase ne može nadvladati njihov pritisak.
Čestice tamne tvari djeluju poput nevidljivog cementa koji uvlači barione u galaksije i tada u njima počinje proces stvaranja zvijezda. Tamne materije ima šest puta više od bariona, ona "vodi", a barioni je samo prate.
Xenon detektor tamnih čestica XENON1T
Xenon100 suradnja
Ima li puno tamne tvari oko nas?
Ima ga posvuda, samo je pitanje koliko ga. Vjeruje se da je u našoj galaksiji masa tamne tvari nešto manja od 10 posto.
Ali već u blizini Galaksije ima više tamne tvari, možemo vidjeti znakove prisutnosti i oko našeg i drugih zvjezdanih sustava. Naravno, mi to vidimo zahvaljujući barionima, promatramo ih i razumijemo da se tu "drže" samo zbog prisutnosti tamne tvari.
Kako znanstvenici traže tamnu tvar
Od kasnih 1980-ih, fizičari provode eksperimente u objektima duboko pod zemljom u pokušaju da zabilježe sudar pojedinačnih čestica tamne tvari. Tijekom proteklih 15 godina, kolektivna osjetljivost ovih eksperimenata eksponencijalno je rasla, udvostručujući se u prosjeku svake godine. Dvije velike suradnje, XENON i PandaX-II, nedavno su lansirale nove, još osjetljivije detektore.
Prvi od njih izgradio je najveći svjetski detektor tamne tvari XENON1T. Koristi metu tekućeg ksenona od 2000 kilograma smještenu u rezervoar za vodu visok 10 metara. Sve je to pod zemljom na dubini od 1,4 kilometra u Nacionalnom laboratoriju Gran Sasso (Italija). Instalacija PandaX-II zakopana je na dubini od 2,4 kilometra u kineskoj pokrajini Sichuan i sadrži 584 kilograma tekućeg ksenona.
Oba eksperimenta koriste ksenon jer je izuzetno inertan, što pomaže u održavanju niske razine buke. Osim toga, jezgre atoma ksenona su relativno teške (sadrže u prosjeku 131 nukleon po jezgri), što predstavlja "veću" metu za čestice tamne tvari. Ako se jedna od ovih čestica sudari s jezgrom atoma ksenona, to će dovesti do slabog, ali primjetnog bljeska svjetlosti (scintilacije) i stvaranja električnog naboja. Promatranje čak i malog broja takvih događaja može nam dati važne podatke o prirodi tamne tvari.
Do sada ni ovi ni bilo koji drugi eksperimenti nisu uspjeli detektirati čestice tamne tvari, ali se ta tišina može iskoristiti za postavljanje gornje granice vjerojatnosti sudara između čestica tamne tvari i običnih čestica.
Mogu li čestice tamne tvari formirati nakupine poput čestica normalne tvari?
Mogu, ali cijelo je pitanje koje gustoće. Sa stajališta astrofizike, galaksije su gusti objekti, njihova gustoća je reda veličine jednog protona po kubičnom centimetru, a zvijezde su gusti objekti, gustoće reda grama po kubičnom centimetru. Ali između njih postoji razlika od 24 reda veličine. U pravilu, oblaci tamne tvari imaju "galaktičku" gustoću.
Postoje li šanse da mnogi traže čestice tamne tvari?
Pokušavaju uhvatiti interakcije pojedinačnih čestica tamne tvari s atomima obične tvari, kao što to rade s neutrinima. No, jako ih je teško uhvatiti, a nije činjenica da je to uopće moguće.
Teleskop CAST (CERN Axion Solar Telescope) u CERN-u traži hipotetske čestice - aksione, od kojih se može sastojati tamna tvar.
Možda se tamna tvar općenito sastoji od takozvanih "zrcalnih" čestica, koje se u principu mogu promatrati samo njihovom gravitacijom. Hipoteza o drugom "zrcalnom" svemiru predložena je prije pola stoljeća, to je svojevrsno udvostručenje stvarnosti.
Prava opažanja imamo samo iz kozmologije.
Razgovarao Sergej Kuznjecov
Proračuni znanstvenika pokazali su da se Svemir 95% sastoji od materije koju ljudi još nisu istražili: 70% je tamna energija, a 25% tamna tvar. Pretpostavlja se da je prvo vrsta polja s energijom različitom od nule, ali se drugo sastoji od čestica koje se mogu detektirati i proučavati.
Ali nije uzalud ova tvar nazvana skrivenom masom - njezina potraga traje dosta vremena i popraćena je žestokim raspravama među fizičarima. Kako bi svoje istraživanje iznijeli u javnost, CERN je čak inicirao Dan tamne materije, koji se prvi put obilježava danas, 31. listopada.
Zagovornici postojanja tamne tvari daju prilično teške argumente, potvrđene eksperimentalnim činjenicama. Njegovo prepoznavanje počelo je tridesetih godina XX. stoljeća, kada je švicarski astronom Fritz Zwicky izmjerio brzinu kojom se galaksije skupa Coma kreću oko zajedničkog središta. Kao što znate, brzina kretanja ovisi o masi. Znanstvenici su izračuni pokazali da prava masa galaksija mora biti mnogo veća od one utvrđene u procesu promatranja teleskopima. Pokazalo se da nam prilično velik dio galaksija jednostavno nije vidljiv. Stoga se sastoji od materije koja ne reflektira niti apsorbira svjetlost.
Druga potvrda postojanja skrivene mase je promjena svjetlosti dok ona prolazi kroz galaksije. Činjenica je da bilo koji objekt s masom iskrivljuje pravocrtni tijek svjetlosnih zraka. Tako će tamna tvar napraviti svoje promjene u svjetlosnoj slici (slika udaljenog objekta), te će postati drugačija od slike koju bi stvorila samo vidljiva materija. Postoji deset dokaza za postojanje tamne tvari, ali dva opisana su glavna.
© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS
Slika skupa galaksija. Linije pokazuju "obrise" tamne tvari
Iako su dokazi o postojanju tamne tvari prilično uvjerljivi, do sada nitko nije pronašao i proučavao čestice koje je čine. Fizičari sugeriraju da je takva tajnovitost posljedica dva razloga. Prvi je da te čestice imaju previsoku masu (povezanu s energijom kroz formulu E = mc²), pa mogućnosti modernih akceleratora jednostavno nisu dovoljne za "stvorenje" takve čestice. Drugi razlog je vrlo mala vjerojatnost pojave tamne tvari. Možda ga ne možemo pronaći upravo zato što izuzetno slabo komunicira s ljudskim tijelom i nama poznatim česticama. Iako je tamna tvar posvuda (prema proračunima) i njezine čestice doslovno svake sekunde jure kroz nas, mi to jednostavno ne osjećamo.
Kako bi otkrili čestice tamne tvari, znanstvenici koriste detektore koji se nalaze pod zemljom kako bi se smanjili nepotrebni udari. Pretpostavlja se da se povremeno čestice tamne materije i dalje sudaraju s atomskim jezgrama, prenose im dio zamaha, izbijaju elektrone i izazivaju bljeskove svjetlosti. Učestalost takvih sudara ovisi o vjerojatnosti interakcije čestica tamne tvari s jezgrom, njihovoj koncentraciji i relativnoj brzini (uzimajući u obzir gibanje Zemlje oko Sunca). Ali eksperimentalne skupine, čak i kada su otkrile neki udar, poriču da je ovaj odgovor detektora uzrokovala tamna tvar. I samo talijanska eksperimentalna skupina DAMA, koja radi u podzemnom laboratoriju Gran Sasso, izvještava o uočenim godišnjim varijacijama u stopi brojanja signala, vjerojatno povezanih s kretanjem Zemlje kroz galaktičku skrivenu masu.
Detektor tamne materije
U ovom eksperimentu, broj i energija bljeskova svjetlosti unutar detektora mjere se tijekom nekoliko godina. Istraživači su dokazali prisutnost slabih (oko 2%) godišnjih fluktuacija u stopi broja takvih događaja.
Iako talijanska skupina samouvjereno brani pouzdanost eksperimenata, mišljenja znanstvenika o ovom pitanju prilično su dvosmislena. Glavna slaba točka rezultata dobivenih od strane talijanske skupine je njihova neponovljivost. Na primjer, kada su otkriveni gravitacijski valovi, otkrili su ih laboratoriji diljem svijeta, čime su potvrdili podatke koje su dobile druge skupine. U slučaju DAMA-e situacija je drugačija – nitko drugi na svijetu ne može se pohvaliti istim rezultatima! Naravno, postoji mogućnost da ova skupina ima moćnije detektore ili vlastite metode, ali ova jedinstvenost eksperimenta izaziva sumnju nekih istraživača u njegovu pouzdanost.
"Još nije moguće reći na što se točno odnose podaci prikupljeni u laboratoriju Gran Sasso. U svakom slučaju, grupa iz Italije dala je pozitivan rezultat, a ne poricanje nečega što je već senzacija. Sada su pronađeni signali A to je veliki poticaj za razvoj raznih teorija, uključujući i one posvećene stvaranju modela tamne tvari. Ali čak i ako znanstvenik pokuša objasniti zašto se dobiveni podaci ni na koji način ne odnose na tamne materije, ovo još uvijek može biti novi korak u razumijevanju prirode. U svakom slučaju, rezultat je i moramo nastaviti s radom, ali ja se osobno ne mogu u potpunosti složiti da je tamna tvar pronađena," komentira Konstantin Belotsky, vodeći istraživač na Odjelu za fiziku elementarnih čestica Nacionalnog istraživačkog nuklearnog sveučilišta MEPhI.
Teorijska konstrukcija u fizici, nazvana standardni model, opisuje interakcije svih elementarnih čestica poznatih znanosti. Ali to je samo 5% tvari koja postoji u Svemiru, dok je preostalih 95% potpuno nepoznate prirode. Što je to hipotetska tamna tvar i kako je znanstvenici pokušavaju otkriti? O tome u okviru posebnog projekta govori Hayk Hakobyan, student Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju i zaposlenik Odjela za fiziku i astrofiziku.
Standardni model elementarnih čestica, konačno potvrđen nakon otkrića Higgsovog bozona, opisuje temeljne interakcije (elektroslabe i jake) nama poznatih običnih čestica: leptona, kvarkova i nositelja interakcija (bozona i gluona). Međutim, ispada da sva ta ogromna složena teorija opisuje samo oko 5-6% sve materije, dok se ostatak ne uklapa u ovaj model. Promatranja iz najranijih trenutaka života našeg svemira pokazuju nam da je otprilike 95% materije koja nas okružuje potpuno nepoznate prirode. Drugim riječima, posredno vidimo prisutnost ove skrivene materije zbog njezina gravitacijskog utjecaja, ali do sada je nije bilo moguće izravno uhvatiti. Ovaj fenomen skrivene mase nazvan je "tamna tvar".
Moderna znanost, posebno kozmologija, radi prema deduktivnoj metodi Sherlocka Holmesa
Sada je glavni kandidat iz WISP grupe aksion, koji nastaje u teoriji snažne interakcije i ima vrlo malu masu. Takva je čestica sposobna transformirati se u par foton-foton u visokim magnetskim poljima, što daje naznake kako se može pokušati detektirati. Eksperiment ADMX koristi velike komore koje stvaraju magnetsko polje od 80.000 gausa (to je 100.000 puta više od Zemljinog magnetskog polja). U teoriji bi takvo polje trebalo potaknuti raspad aksiona u par foton-foton, koji bi detektori trebali uhvatiti. Unatoč brojnim pokušajima, WIMP-ovi, aksioni ili sterilni neutrini još nisu otkriveni.
Tako smo prošli kroz ogroman broj različitih hipoteza koje nastoje objasniti čudnu prisutnost tamne mase i, odbacivši sve nemoguće uz pomoć zapažanja, došli smo do nekoliko mogućih hipoteza s kojima već možemo raditi.
Negativan rezultat u znanosti je također rezultat, jer ograničava različite parametre čestica, na primjer, eliminira raspon mogućih masa. Iz godine u godinu sve više novih opažanja i eksperimenata u akceleratorima daju nova, stroža ograničenja mase i drugih parametara čestica tamne tvari. Tako, izbacujući sve nemoguće opcije i sužavajući krug traženja, iz dana u dan sve smo bliže razumijevanju od čega se sastoji 95% materije u našem Svemiru.