Keli faktai apie ramybės astrofizikams ir vieningojo lauko teorijos kūrėjams neduodančią tamsiąją materiją (TM).
Galaktikų sukurti gravitaciniai lęšiai iškreipia už jų esančių galaktikų formą ir pagal iškraipymą galima spręsti apie galaktikų bendrą masę. NASA nuotrauka
Tamsioji – daugiau nei jos nematymas
Tamsioji materija neskleidžia jokios elektromagnetinės spinduliuotės. Astrofizikams nepavyko rasti nei regimosios šviesos, nei radijo ar rentgeno spinduliuotės pėdsakų. Deja, didesnių energijų spinduliuotės taip pat nėra.
Materija yra ne tik daiktai
Tai, ką fizikai priskiria materijai, turi elgtis kaip materija, iš kurios esame sudaryti. Bent tada, kuomet kalbame apie jos judėjimą erdvėje ir laike. Pirmiausiai, tamsioji materija, pasklidusi į didesnį tūrį, išsisklaido ir sukelia tokią pat gravitacinę trauką kaip ir įprasta materija. Galima lengvai sugalvoti „medžiagą“, kuri elgiasi kitaip. Pavyzdžiui, taip nesielgia amsioji energija.
TM neišnyks
Vieną dieną neišgirsite fizikų pareiškimo: „Nėra tamsiosios materijos”. Na, tokie teiginiai visgi pasitaiko, ir, deja, tie fizikai klysta. Įrodymų yra labai daug: silpnasis gravitacinis lęšis rodo, kad galaktikos turi didesnę gravitacinę trauką, nei ją gali sukelti matoma materija. Papildoma medžiaga galaktikose taip pat reikalinga paaiškinti, kodėl žvaigždės, esančios galaktikų išoriniuose ruožuose, taip greitai skrieja aplink centrą.
Be tamsiosios materijos negalima paaiškinti stebimų temperatūros svyravimų kosminiame mikrobangų fone, o galaktikų suformuotos struktūros be tamsiosios materijos taip pat nebūtų teisingos. Net jei stebimus reiškinius būtų galima paaiškinti pagal modifikuotos gravitacijos teoriją (Modified Gravity Theory – MOG), o ne nežinoma materijos rūšimi, vis tiek turėtų būti įmanoma MOG suformuluoti taip, kad ji atrodytų gana panašiai kaip nauja materijos rūšis. Ir mes vis tiek ją pavadintume tamsiąja materija.
Pirmoji įrodymus rado ne Rubin
Vera Rubin buvo pirmoji pripažinusi TM svarbą, kuomet pastebėjo, kad žvaigždės aplink galaktikų centrus sukasi nepaaiškinamai greitai. Keliais dešimtmečiais anksčiau Fritz Zwicky atkreipė dėmesį į tai, kad maždaug Coma telkinio (Berenikės Garbanų žvaigždyne) iš tūkstančio galaktikų spiečius taip pat juda pernelyg greitai.
Hubble teleskopo nuotraukoje Coma galaktikų telkinys
Galaktikų greitis priklauso nuo bendros masės, o per dideli greičiai jau rodė, kad masės yra daugiau, nei buvo stebima. Kuomet V. Rubin surinko Coma telkinio duomenis, paaiškėjo, kad tai ne telkinio ypatybė. Pasirodo, jog tamsiosios materijos turi būti beveik visose galaktikose ir galaktikų spiečiuose, kitaip negalima paaiškinti judėjimo greičio.
TM mažai sąveikauja
Kulkų telkinys
Jei sąveikautų stipriai su savimi ar kuo nors kitu, ji pernelyg sulėtėtų ir susitelktų, o tai neatitiktų duomenų. Ypač ryškus pavyzdys – Kulkų telkinys (Laivo Kilio žvaigždyne), sudarytas iš dviejų galaktikų, praėjųsių vienas pro kitą, telkinių. Kulkų telkinyje aptinkamas ir įprastos medžiagos ir tamsiosios medžiagos pasiskirstymas. Tačiau duomenys rodo, kad tamsiosios materijos telkinių dalys beveik nesutrikdytos prasilenkė viena su kita, o matomoji materija buvo sulėtėjusi ir jos forma pastebimai iškreipta. Tokia pati silpna sąveika būtina norint paaiškinti kosminio mikrobangų fono ir galaktikų struktūros formavimosi stebėjimų duomenis.
TM nulemė Visatos struktūras
Tamsioji materija mažai sąveikauja su savimi ir kitomis medžiagomis, ji yra pirmoji materijos rūšis, nusėdusi Visatai plečiantis ir pirmoji suformavusi struktūras, veikiama savo gravitacinės traukos. Būtent tamsioji materija suformavo gijas, išilgai kurių vėliau susiformuoja galaktikos, kai regimoji medžiaga patenka į tamsiosios medžiagos sukurtą gravitacinį lauką.
Jei pažvelgtumėte į kokį nors kompiuterinį struktūrų formavimosi modeliavimą, beveik visada matytumėte tamsiosios, o ne regimosios materijos pasiskirstymą. Matoma materija patenka į tą patį pasiskirstymą, todėl manoma, kad vėliau ji pasiskirstys taip pat.
Tikėtinas netolygus pasiskirstymas
TM ne tik sudaro gijas supergalaktikų masteliu, bet ir galaktikose nėra visiškai tolygiai pasiskirsčiusi. Tokie yra dabartiniai geriausiai suprantami modeliai. TM nesuformuoja tokio tankio objektų kaip planetos, tačiau ji sudaro įvairaus tankio „aureolę“, judančią galaktikose. Paprastai TM tankis yra didesnis link galaktikų centrų. Tamsioji medžiaga nesisuka kartu su stebimų žvaigždžių diskais, žvaigždžių sistemos, tokios kaip mūsų Saulės sistema, nuolat juda į tamsiosios medžiagos dalelių „vėją“.
Daugybė TM idėjų
Fizikai turi daug idėjų, kas galėtų būti. Populiariausias mįslingų stebėjimų paaiškinimas yra pagrindžiamas kažkokia silpnai sąveikaujančia dalele, nesąveikaujančia su šviesa. Dalelė turi būti gana masyvi, kad sudarytų stebimas struktūras. Ji turi būti maždaug tokia pat sunki kaip sunkiausios mums žinomos dalelės. Jei ji nebūtų pakankamai sunki, nesudarytų sankaupų. Dalelės pramintos „Silpnai sąveikaujančios masyviosios dalelės” arba WIMP (Weakly Interacting Massive Particles).
Kita kandidatė yra labai lengva dalelė aksionas, paliekanti tam tikrą kondensatą, užpildantį Visatą.
Yra ir kitų tipų kandidatų, pasižyminčių sudėtingesne sąveika arba didesne mase, pavyzdžiui, Wimpzilos ir kitos egzotinės dalelės. Makro tamsioji medžiaga – tai tamsiosios medžiagos rūšis, kurią būtų galima įtraukti į standartinį modelį. Ją sudaro makroskopiškai sunkūs nežinomų tipų branduolinės medžiagos gabalai.
Yra keletas pasiūlymų, kaip modifikuoti „gravitaciją”, idant ji atitiktų stebėjimus. Paminėtinos yra MOG, entropinė gravitacija ir bimetrinės teorijos. Teorinė motyvacija labai skirtinga, tačiau kuo daugiau stebėjimų reikia paaiškinti, tuo panašesni paaiškinimai pasitelkiant papildomas daleles tampa į paaiškinimus modifikuojant gravitaciją.
Kas negali būti TM
Yra žinoma, kad TM negali būti rudosios nykštukės ar juodosios skylės. Pagrindinė priežastis: žinome bendrą masę, kurią tamsioji medžiaga atneša į mūsų galaktiką, ir ji yra maždaug 10 kartų didesnė už matomos medžiagos masę. Jei tokį masės kiekį sudarytų juodosios skylės, turėtume nuolat matyti gravitacinio lęšio reiškinius, tačiau taip nėra.
Tai ne visai tinka ir struktūrų formavimuisi. Yra žinoma, kad neutrinai, nors ir silpnai sąveikaujantys, nėra TM. Jie yra per lengvi ir nesusitelktų pakankamai stipriai, kad galėtų sudaryti galaktikų gijas.
Nėra tiesioginių eksperimentinių įrodymų
Nepaisant dešimtmečius trukusių paieškų, niekas niekada tiesiogiai neaptiko tamsiosios medžiagos dalelės. Vienintelis turimas įrodymas vis dar yra netiesiogiai išvestas iš gravitacinės traukos. Jau nuo 1980-ųjų fizikai daugelyje Žemėje atliekamų eksperimentų ieškojo retų siūlomų kandidatų į tamsiosios medžiagos daleles sąveikų. Jie taip pat ieško astrofizikinių tamsiosios medžiagos įrodymų. Pvz, tamsiosios medžiagos dalelių tarpusavio anihiliacijos signalų. Buvo rasta intriguojantys faktai: PAMELA pozitronų perteklius, DAMA metinė moduliacija arba Fermio gama spindulių perteklius. Deja, fizikams nepavyko nė vieno iš jų įtikinamai susieti su tamsiąja medžiaga.
Po visko, ką Visata mums apie save papasakojo, esame įsitikinę, kad turi egzistuoti tam tikra tamsiosios medžiagos rūšis. Materija, kuri skiriasi nuo visų žinomų standartinio modelio dalelių. Ši tamsioji materija maždaug penkis kartus lenkia visas kitas Visatos daleles ir spinduliuotę, tačiau jos dar nepavyko tiesiogiai aptikti. Žinome, kad ji egzistuoja, bet tiksliai nežinome, iš ko ji sudaryta. Kol to nesužinosime, tai ir toliau liks išsamesnio sprendimo reikalaujančia paslaptimi.