Proračuni naučnika su pokazali da se 95% svemira sastoji od materije koju ljudi još nisu istražili: 70% je tamna energija, a 25% tamna materija. Pretpostavlja se da prvo predstavlja određeno polje sa energijom različitom od nule, a drugo se sastoji od čestica koje se mogu detektovati i proučavati.
Ali nije uzalud što se ova tvar naziva skrivenom masom - njeno traženje traje dosta vremena i popraćeno je žestokim raspravama među fizičarima. Kako bi svoje istraživanje približio javnosti, CERN je čak inicirao Dan tamne materije, koji se prvi put obilježava danas, 31. oktobra.
Zagovornici postojanja tamne materije iznose prilično uvjerljive argumente, potvrđene eksperimentalnim činjenicama. Njegovo prepoznavanje počelo je tridesetih godina 20. stoljeća, kada je švicarski astronom Fritz Zwicky izmjerio brzine kojima se galaksije skupa Koma kreću oko zajedničkog centra. Kao što znate, brzina kretanja ovisi o masi. Proračuni naučnika pokazali su da bi prava masa galaksija trebala biti mnogo veća od one utvrđene tokom posmatranja pomoću teleskopa. Ispostavilo se da nam prilično veliki dio galaksija jednostavno nije vidljiv. Dakle, sastoji se od materije koja ne reflektuje i ne apsorbuje svetlost.
Druga potvrda postojanja skrivene mase je promjena svjetlosti dok ona prolazi kroz galaksije. Činjenica je da bilo koji objekt s masom iskrivljuje pravolinijski put svjetlosnih zraka. Tako će tamna materija mijenjati svijetlu sliku (sliku udaljenog objekta), te će postati drugačija od slike koju bi stvorila samo vidljiva materija. Postoji deset dokaza za postojanje tamne materije, ali ova dva su glavna.
© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS
Fotografija jata galaksija. Linije pokazuju "obris" tamne materije
Iako su dokazi o postojanju tamne materije prilično uvjerljivi, još niko nije pronašao niti proučavao čestice koje je čine. Fizičari sugeriraju da je ova tajnovitost posljedica dva razloga. Prvi je da te čestice imaju previsoku masu (povezanu sa energijom kroz formulu E=mc²), tako da mogućnosti modernih akceleratora jednostavno nisu dovoljne da se takva čestica „rađa“. Drugi razlog je vrlo mala vjerovatnoća pojave tamne materije. Možda ga ne možemo pronaći upravo zato što je izuzetno slabo u interakciji s ljudskim tijelom i česticama koje su nam poznate. Iako je tamna materija posvuda (prema proračunima) i njene čestice bukvalno svake sekunde jure kroz nas, mi to jednostavno ne osjećamo.
Da bi otkrili čestice tamne materije, naučnici koriste detektore koji se nalaze ispod zemlje kako bi sveli na minimum nepotrebne smetnje. Pretpostavlja se da se povremeno čestice tamne materije i dalje sudaraju s atomskim jezgrama, prenose im dio svog impulsa, izbijaju elektrone i izazivaju bljeskove svjetlosti. Učestalost takvih sudara ovisi o vjerovatnoći interakcije čestica tamne materije sa jezgrom, njihovoj koncentraciji i relativnoj brzini (uzimajući u obzir kretanje Zemlje oko Sunca). Ali eksperimentalne grupe, čak i ako otkriju neki efekat, poriču da je tamna materija izazvala ovaj odgovor detektora. I samo italijanska eksperimentalna grupa DAMA, koja radi u podzemnoj laboratoriji Gran Sasso, izvještava o uočenim godišnjim varijacijama u stopi brojanja signala, vjerojatno povezanih s kretanjem Zemlje kroz galaktičku skrivenu masu.
Detektor za detekciju tamne materije
U ovom eksperimentu, broj i energija bljeskova svjetlosti unutar detektora mjere se tokom nekoliko godina. Istraživači su dokazali prisustvo slabih (oko 2%) godišnjih fluktuacija u stopi brojanja takvih događaja.
Iako italijanska grupa pouzdano brani pouzdanost eksperimenata, mišljenja naučnika o ovom pitanju su prilično dvosmislena. Glavna slabost rezultata koje je dobila italijanska grupa je njihova jedinstvenost. Na primjer, kada su otkriveni gravitacijski valovi, otkrili su ih laboratoriji širom svijeta, čime su potvrđeni podaci drugih grupa. U slučaju DAMA-e situacija je drugačija - niko drugi na svijetu ne može se pohvaliti istim rezultatima! Naravno, moguće je da ova grupa ima moćnije detektore ili svoje metode, ali ova jedinstvenost eksperimenta kod nekih istraživača izaziva sumnju u njegovu pouzdanost.
"Još uvijek je nemoguće reći na šta se tačno odnose podaci prikupljeni u laboratoriju Gran Sasso. U svakom slučaju, grupa iz Italije je dala pozitivan rezultat, a ne poricanje nečega, što je već senzacija. Sada su pronađeni signali potrebno je tražiti objašnjenje. A to je veliki poticaj za razvoj raznih teorija, uključujući i one posvećene stvaranju modela skrivene mase. Ali čak i ako naučnik pokuša objasniti zašto se dobijeni podaci ni na koji način ne odnose do tamne materije, ovo još uvek može postati novi korak u razumevanju prirode. U svakom slučaju rezultat je i treba da nastavimo sa radom. Ali trenutno se lično ne mogu u potpunosti složiti da je tamna materija pronađena", komentariše Konstantin Belotsky, vodeći istraživač na Odsjeku za fiziku elementarnih čestica na NRNU MEPhI.
Tamna materija ne emituje i ne apsorbuje svetlost, praktično ne stupa u interakciju sa „običnom“ materijom, naučnici još nisu uspeli da uhvate ni jednu „tamnu“ česticu. Ali bez toga, svemir koji poznajemo, pa čak ni mi sami, ne bi mogli postojati. Na Dan tamne materije, koji se obeležava 31. oktobra (fizičari su odlučili da je ovo pravo vreme da se organizuje praznik u čast tamne i neuhvatljive supstance), N+1 pitao je šefa odeljenja teorijske astrofizike u Astrosvemirskom centru Fizičkog instituta Lebedeva, Andreja Doroškeviča, šta je tamna materija i zašto je toliko važna.
N+1: Koliko su naučnici danas sigurni da tamna materija zaista postoji?
Andrey Doroshkevich: Glavni dokaz su zapažanja fluktuacija kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja, odnosno rezultati koje su WMAP i """ svemirske letjelice dobile u proteklih 15 godina.
Oni su sa velikom preciznošću izmjerili temperaturni poremećaj kosmičke mikrovalne pozadine, odnosno kosmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja. Ovi poremećaji su sačuvani još od ere rekombinacije, kada se jonizovani vodonik pretvarao u neutralne atome.
Ova mjerenja su pokazala prisustvo fluktuacija, vrlo malih, oko jedne desethiljaditi dio kelvina. Ali kada su te podatke počeli upoređivati s teorijskim modelima, otkrili su bitne razlike koje se ne mogu objasniti ni na koji drugi način osim prisutnošću tamne materije. Zahvaljujući tome, uspjeli su izračunati udio tamne i obične materije u Univerzumu s tačnošću od jedan posto.
Distribucija materije u svemiru (s lijeva na desno) prije i poslije pojave podataka sa Planck teleskopa
Naučnici su učinili mnogo pokušaja da se riješe nevidljive i neprimjetne tamne materije, stvarajući teorije modificirane gravitacije, poput MOND-a, koje pokušavaju objasniti uočene efekte. Zašto su modeli tamne materije poželjniji?
Situacija je vrlo jednostavna: moderna Einsteinova teorija gravitacije dobro funkcionira na zemaljskim razmjerima, sateliti lete u strogom skladu s ovom teorijom. I to jako dobro funkcionira na kosmološkim skalama. A svi moderni modeli koji mijenjaju gravitaciju ne mogu sve objasniti. Oni uvode nove konstante u Njutnov zakon koje pomažu da se objasne efekti tamne materije na nivou galaksije, ali promašuju cilj na kosmološkoj skali.
Može li otkriće gravitacijskih valova pomoći ovdje? Možda će to pomoći da se odbace neke od teorija?
Ono što su gravitacioni talasi sada izmjerili je ogroman tehnički, a ne naučni uspjeh. Da postoje znalo se prije 40 godina kada je otkriveno (indirektno) gravitacijsko zračenje dvostrukog pulsara. Posmatranja gravitacionih talasa još jednom su potvrdila postojanje crnih rupa, iako ranije nismo sumnjali u to, ali sada imamo manje-više direktne dokaze.
Oblik efekta, promjene gravitacijskih valova ovisno o snazi, mogu nam dati vrlo korisne informacije, ali moramo pričekati još pet do deset godina dok ne budemo imali dovoljno podataka da preciziramo teorije gravitacije.
Kako su naučnici naučili o tamnoj materiji
Istorija tamne materije počela je 1933. godine, kada je astronom Fritz Zwicky proučavao raspodjelu brzina galaksija u jatu smještenom u sazviježđu Berenice Coma. Otkrio je da se galaksije u jatu kreću prebrzo, a kada bi se uzela u obzir samo vidljiva materija, jato ne bi moglo biti stabilno - galaksije bi se jednostavno raspršile u različitim smjerovima.
U radu objavljenom 16. februara 1933. Zwicky je sugerirao da ih zajedno drži nevidljiva gravitaciona supstanca - Dunkle Materie.
Nešto kasnije, drugi astronomi su potvrdili neslaganje između "vidljive" mase galaksija i parametara njihovog kretanja.
Godine 1958. sovjetski astrofizičar Viktor Ambartsumyan predložio je svoje rješenje paradoksa Zwickyja. Po njegovom mišljenju, jata galaksija ne sadrže nikakvu nevidljivu materiju koja bi ih gravitaciono držala. Mi jednostavno posmatramo klastere u procesu raspadanja. Međutim, većina astronoma nije prihvatila ovo objašnjenje, jer u ovom slučaju životni vijek klastera ne bi bio duži od milijardu godina, a s obzirom na to da je životni vijek Univerzuma deset puta duži, do danas klastera jednostavno ne bi bilo.
Općeprihvaćeno shvaćanje tamne materije je da se ona sastoji od WIMP-a, masivnih čestica koje imaju malu interakciju s česticama obične materije. Šta možete reći o njihovim nekretninama?
Imaju prilično veliku masu - i to je gotovo sve, ne možemo ni nazvati tačnu masu. Oni putuju na velike udaljenosti bez sudara, ali poremećaji gustoće u njima ne izumiru čak ni na relativno malim razmjerima - a to je jedino što nam je danas potrebno za modele.
CMB nam daje karakteristike tamne materije na velikim skalama, na skali jata galaksija. Ali da bismo se "spustili" na skale malih galaksija, primorani smo koristiti teorijske modele.
Samo postojanje malih galaksija sugerira da su čak i na relativno malim razmjerima postojale nepravilnosti koje su nastale ubrzo nakon Velikog praska. Takve nehomogenosti mogu izblijediti i izgladiti se, ali sigurno znamo da ne blijede na skali malih galaksija. Ovo sugerira da te čestice tamne materije moraju imati svojstva takva da ovi poremećaji opstaju.
Da li je tačno reći da zvezde mogu nastati samo zbog tamne materije?
Ne baš. Bez tamne materije, galaksije se ne bi mogle formirati, a zvezde se ne mogu formirati izvan galaksija. Za razliku od tamne materije, barioni su uvek vrući i u interakciji sa kosmičkim mikrotalasnim pozadinskim zračenjem. Stoga se ne mogu samostalno sastaviti u zvijezde; gravitacija bariona zvjezdane mase ne može nadvladati njihov pritisak.
Čestice tamne materije djeluju kao nevidljivi cement koji uvlači barione u galaksije i tada u njima počinje proces formiranja zvijezda. Tamne materije ima šest puta više od bariona; ona "vodi", a barioni je samo prate.
Xenon detektor čestica tamne materije XENON1T
Xenon100 saradnja
Ima li puno tamne materije oko nas?
Ima ga svuda, samo je pitanje koliko ga ima. Vjeruje se da je u našoj galaksiji masa tamne tvari nešto manja od 10 posto.
Ali već u blizini Galaksije ima više tamne materije, možemo vidjeti znakove prisustva i oko našeg i drugih zvjezdanih sistema. Naravno, mi to vidimo zahvaljujući barionima, posmatramo ih i shvatamo da se oni tu „zalepe“ samo zbog prisustva tamne materije.
Kako naučnici traže tamnu materiju
Od kasnih 1980-ih, fizičari su provodili eksperimente u objektima duboko pod zemljom u pokušaju da shvate sudare pojedinačnih čestica tamne materije. Tokom proteklih 15 godina, kolektivna osjetljivost ovih eksperimenata je eksponencijalno rasla, udvostručujući se u prosjeku svake godine. Dvije velike saradnje, XENON i PandaX-II, nedavno su lansirale nove, još osjetljivije detektore.
Prvi od njih je napravio najveći svjetski detektor tamne materije, XENON1T. Koristi metu od 2.000 kilograma od tečnog ksenona, postavljenu u rezervoar vode visok 10 metara. Sve se to nalazi pod zemljom na dubini od 1,4 kilometra u nacionalnoj laboratoriji Gran Sasso (Italija). Instalacija PandaX-II zakopana je na dubini od 2,4 kilometra u kineskoj provinciji Sečuan i sadrži 584 kilograma tečnog ksenona.
Oba eksperimenta koriste ksenon jer je izuzetno inertan, što pomaže u održavanju niskih nivoa buke. Osim toga, jezgra atoma ksenona su relativno teška (sadrže u prosjeku 131 nukleon po jezgri), što predstavlja „veću“ metu za čestice tamne materije. Ako se jedna od ovih čestica sudari s jezgrom atoma ksenona, proizvešće slab, ali uočljiv bljesak svjetlosti (scintilacija) i stvaranje električnog naboja. Posmatranje čak i malog broja takvih događaja može nam dati važne naznake o prirodi tamne materije.
Do sada, ni ovi ni bilo koji drugi eksperimenti nisu mogli otkriti čestice tamne materije, ali se ta tišina može iskoristiti za postavljanje gornje granice vjerovatnoće sudara čestica tamne materije sa česticama obične materije.
Mogu li čestice tamne materije formirati nakupine poput čestica normalne materije?
Mogu, ali cijelo je pitanje koje gustine. Sa stanovišta astrofizike, galaksije su gusti objekti, njihova gustina je reda veličine jednog protona po kubnom centimetru, a zvijezde su gusti objekti, čija je gustoća reda grama po kubnom centimetru. Ali između njih postoji razlika od 24 reda veličine. Tipično, oblaci tamne materije imaju "galaktičku" gustinu.
Imaju li brojni ljudi priliku da tragaju za česticama tamne materije?
Oni pokušavaju uhvatiti interakcije pojedinačnih čestica tamne materije s atomima obične materije, kao što to rade s neutrinima. Ali vrlo ih je teško uhvatiti, a nije činjenica da je to uopće moguće.
Teleskop CAST (CERN Axion Solar Telescope) u CERN-u traži hipotetičke čestice - aksione - koje bi mogle činiti tamnu materiju.
Možda se tamna materija generalno sastoji od takozvanih "zrcalnih" čestica, koje se, u principu, mogu posmatrati samo njihovom gravitacijom. Hipoteza o drugom „zrcalnom“ svemiru predložena je prije pola stoljeća; ovo je svojevrsno udvostručenje stvarnosti.
Imamo samo stvarna zapažanja iz kosmologije.
Razgovarao Sergej Kuznjecov
MOSKVA, 31. oktobra - RIA Novosti, Olga Kolentsova. Proračuni naučnika pokazali su da se 95% svemira sastoji od materije koju ljudi još nisu istražili: 70% je tamna energija, a 25% tamna materija. Pretpostavlja se da prvo predstavlja određeno polje sa energijom različitom od nule, ali se drugo sastoji od čestica koje se mogu detektovati i proučavati. Ali nije uzalud što se ova tvar naziva skrivenom masom - njeno traženje traje dosta vremena i popraćeno je žestokim raspravama među fizičarima. Kako bi svoje istraživanje približio javnosti, CERN je čak inicirao Dan tamne materije, koji se prvi put obilježava danas, 31. oktobra.
Zagovornici postojanja tamne materije iznose prilično uvjerljive argumente, potvrđene eksperimentalnim činjenicama. Njegovo prepoznavanje počelo je tridesetih godina 20. stoljeća, kada je švicarski astronom Fritz Zwicky izmjerio brzine kojima se galaksije skupa Koma kreću oko zajedničkog centra. Kao što znate, brzina kretanja ovisi o masi. Proračuni naučnika pokazali su da bi prava masa galaksija trebala biti mnogo veća od one utvrđene tokom posmatranja pomoću teleskopa. Ispostavilo se da nam prilično veliki dio galaksija jednostavno nije vidljiv. Dakle, sastoji se od materije koja ne reflektuje i ne apsorbuje svetlost.
Druga potvrda postojanja skrivene mase je promjena svjetlosti dok ona prolazi kroz galaksije. Činjenica je da bilo koji objekt s masom iskrivljuje pravolinijski put svjetlosnih zraka. Tako će tamna materija mijenjati svijetlu sliku (sliku udaljenog objekta), te će postati drugačija od slike koju bi stvorila samo vidljiva materija. Postoji deset dokaza za postojanje tamne materije, ali ova dva 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 materije prilično uvjerljivi, još niko nije pronašao niti proučavao čestice koje je čine. Fizičari sugeriraju da je ova tajnovitost posljedica dva razloga. Prvi je da ove čestice imaju previsoku masu (povezanu sa energijom kroz formulu E=mc²), pa mogućnosti modernih akceleratora jednostavno nisu dovoljne za „rađanje“ takve čestice. Drugi razlog je vrlo mala vjerovatnoća pojave tamne materije. Možda ga ne možemo pronaći upravo zato što je izuzetno slabo u interakciji s ljudskim tijelom i česticama koje su nam poznate. Iako je tamna materija posvuda (prema proračunima) i njene čestice bukvalno svake sekunde jure kroz nas, mi to jednostavno ne osjećamo.
Da bi otkrili čestice tamne materije, naučnici koriste detektore koji se nalaze ispod zemlje kako bi sveli na minimum nepotrebne smetnje. Pretpostavlja se da se povremeno čestice tamne materije i dalje sudaraju s atomskim jezgrama, prenose im dio svog impulsa, izbijaju elektrone i izazivaju bljeskove svjetlosti. Učestalost takvih sudara ovisi o vjerovatnoći interakcije čestica tamne materije sa jezgrom, njihovoj koncentraciji i relativnoj brzini (uzimajući u obzir kretanje Zemlje oko Sunca). Ali eksperimentalne grupe, čak i ako otkriju neki efekat, poriču da je tamna materija izazvala ovaj odgovor detektora. I samo italijanska eksperimentalna grupa DAMA, koja radi u podzemnoj laboratoriji 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 tokom nekoliko godina. Istraživači su dokazali prisustvo slabih (oko 2%) godišnjih fluktuacija u stopi brojanja takvih događaja.
Iako italijanska grupa pouzdano brani pouzdanost eksperimenata, mišljenja naučnika o ovom pitanju su prilično dvosmislena. Glavna slabost rezultata koje je dobila italijanska grupa je njihova jedinstvenost. Na primjer, kada su otkriveni gravitacijski valovi, otkrili su ih laboratoriji širom svijeta, čime su potvrđeni podaci drugih grupa. U slučaju DAMA-e situacija je drugačija - niko drugi na svijetu ne može se pohvaliti istim rezultatima! Naravno, moguće je da ova grupa ima moćnije detektore ili svoje metode, ali ova jedinstvenost eksperimenta kod nekih istraživača izaziva sumnju u njegovu pouzdanost.
"Još uvijek je nemoguće reći na šta se tačno odnose podaci prikupljeni u laboratoriju Gran Sasso. U svakom slučaju, grupa iz Italije je dala pozitivan rezultat, a ne poricanje nečega, što je već senzacija. Sada su pronađeni signali potrebno je tražiti objašnjenje. A to je veliki poticaj za razvoj raznih teorija, uključujući i one posvećene stvaranju modela skrivene mase. Ali čak i ako naučnik pokuša objasniti zašto se dobijeni podaci ni na koji način ne odnose do tamne materije, ovo još uvek može postati novi korak u razumevanju prirode. U svakom slučaju rezultat je i treba da nastavimo sa radom. Ali trenutno se lično ne mogu u potpunosti složiti da je tamna materija pronađena", komentariše Konstantin Belotsky, vodeći istraživač na Odsjeku za fiziku elementarnih čestica na Nacionalnom istraživačkom nuklearnom univerzitetu MEPhI.
Teorijski konstrukt u fizici pod nazivom Standardni model opisuje interakcije svih elementarnih čestica poznatih nauci. Ali ovo je samo 5% materije koja postoji u Univerzumu, preostalih 95% je potpuno nepoznate prirode. Šta je to hipotetička tamna materija i kako je naučnici pokušavaju otkriti? Hayk Hakobyan, student MIPT-a i zaposlenik Odsjeka za fiziku i astrofiziku, govori o tome u sklopu posebnog projekta.
Standardni model elementarnih čestica, konačno potvrđen nakon otkrića Higgsovog bozona, opisuje fundamentalne interakcije (elektroslabe i jake) običnih čestica koje poznajemo: leptona, kvarkova i nosilaca sile (bozona i gluona). Međutim, ispostavilo se da cijela ova ogromna složena teorija opisuje samo oko 5-6% sve materije, dok se ostatak ne uklapa u ovaj model. Posmatranja najranijih trenutaka našeg Univerzuma pokazuju nam da je otprilike 95% materije koja nas okružuje potpuno nepoznate prirode. Drugim rečima, indirektno vidimo prisustvo ove skrivene materije zbog njenog gravitacionog uticaja, ali još nismo bili u mogućnosti da je direktno uhvatimo. Ovaj skriveni masovni fenomen nosi kodni naziv "tamna materija".
Moderna nauka, posebno kosmologija, radi prema deduktivnoj metodi Sherlocka Holmesa
Sada je glavni kandidat iz WISP grupe aksion, koji nastaje u teoriji jake interakcije i ima vrlo malu masu. Takva čestica je sposobna da se pretvori u par foton-foton u visokim magnetnim poljima, što daje nagoveštaje kako bi se moglo pokušati detektovati. ADMX eksperiment koristi velike komore koje stvaraju magnetno polje od 80.000 gausa (to je 100.000 puta više od magnetnog polja Zemlje). U teoriji, takvo polje bi trebalo stimulirati raspad aksiona u par foton-foton, koji bi detektori trebali uhvatiti. Unatoč brojnim pokušajima, još uvijek nije bilo moguće otkriti WIMP-ove, aksione ili sterilne neutrine.
Tako smo prošli kroz ogroman broj različitih hipoteza tražeći da objasnimo čudno prisustvo skrivene mase, i, odbacivši sve nemogućnosti uz pomoć zapažanja, došli smo do nekoliko mogućih hipoteza s kojima već možemo raditi.
Negativan rezultat u nauci je također rezultat, jer daje ograničenja na 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 na masu i druge parametre čestica tamne materije. Tako, izbacujući sve nemoguće opcije i sužavajući krug traženja, iz dana u dan postajemo sve bliži razumijevanju od čega se sastoji 95% materije u našem Univerzumu.
