11 neodgovorenih pitanja o tamnoj materiji

Tridesetih godina prošlog stoljeća švicarski astronom Fritz Zwicky primjetio je da se jata udaljenih galaksija okreću jedna oko druge puno brže s obzirom na količinu mase koju su vjerojatno imale

Smatrajući da je za jače gravitacijsko privlačenje tih galaksija odgovorna neka nevidljiva tvar, predložio je naziv tamna materija (ili tamna tvar). Od tada su istraživači potvrdili da se tu tajanstvenu materiju može pronaći po cijelom svemiru i da je ima šest puta više od normalne tvari od koje su izgrađene stvari poput zvijezda i ljudi. Ipak, unatoč tome što su tamnu materiju detektirali po cijelom svemiru, znanstvenici se uglavnom još uvijek češu po glavi. Slijedi 11 neodgovorenih pitanja o tamnoj tvari.

Što je tamna tvar?

Prvo i možda najteže pitanje je definicija tamne tvari. Istraživači ostaju i dalje zbunjeni po pitanju što je točno tamna materija. Prvotno su neki znanstvenici nagađali da se masa koja nedostaje u svemiru sastoji od malih udaljenih zvijezda i crnih rupa, iako detaljna promatranja nisu otkrila ni približno dovoljno takvih objekata da bi se mogao objasniti utjecaj tamne tvari, piše fizičar Don Lincoln iz Fermilaba, nacionalnog laboratorija Odjela za energetiku Sjedinjenih Država. Trenutno je prvi kandidat za tamnu tvar hipotetska čestica koja se naziva masivna čestica sa slabom interakcijom čestica ili WIMP, a koja se ponaša poput neutrona, i ima 10 do 100 puta veću masu od protona. Ipak, ova je pretpostavka samo dovela do još neodgovorenih pitanja - na primjer...

Možemo li detektirati tamnu materiju?

Ako se tamna tvar sastoji od WIMP-ova, oni bi, iako sitni i teško detektabilni, trebali biti svuda oko nas. Pa kako to da još nismo pronašli nijednu? Iako se ne sudara često s običnom materijom, uvijek postoji mala vjerojatnost da bi čestica tamne tvari mogla pogoditi normalnu česticu poput protona ili elektrona dok putuje kroz svemir. Tako su istraživači izveli niz eksperimenata, proučavajući velik broj običnih čestica duboko pod zemljom, gdje su bile zaštićene od utjecaja drugog zračenja koje bi moglo imitirati sudar tamne tvari i običnih čestica. I što je otkriveno? Nakon desetljeća čekanja, niti jedan od ovih detektora nije otkrio navedenu česticu. Ranije ove godine, kineski PandaX [kineski detektor čestica u podzemnom laboratoriju u Sečuanu] je izvijestio da WIMP u tom eksperimentu nije otkriven. Čini se da su čestice tamne tvari ili puno manje od WIMP-ova ili im nedostaju svojstva koja bi olakšala njihovo otkrivanje, kaže fizičar Hai-Bo Yu sa Sveučilišta California, Riverside.

Sastoji li se tamna tvar od više čestica?

Običnu materiju čine poznate čestice poput protona i elektrona, kao i čitav "zoološki vrt" egzotičnijih čestica poput neutrina, miona i piona. Dakle, neki su se istraživači pitali da li bi i tamna tvar, koja čini 85 posto materije u svemiru, mogla biti jednako građena. "Postoji dobar razlog za pretpostavku da je tamna tvar u svemiru izgrađena od više vrsta čestica", izjavio je fizičar Andrey Katz sa sveučilišta Harvard za Space.com. Mogli bi postojati tamni protoni u kombinaciji s tamnim elektronima da bi stvorili tamne atome, koji bi bili jednako raznoliki i zanimljivi kao oni u vidljivom svijetu, kaže Katz. Iako su se takvi prijedlozi pokušali eksperimentalno izvesti u laboratoriju, znanstvenicima je do sada izmicalo rješenje kako bi potvrdili ili porekli postojanje tih čestica.

Postoji li tamna sila?

Kako postoji mogućnost da se tamna tvar sastoji od dodatnih [nepoznatih] čestica, tako postoji i mogućnost da na tamnu tvar djeluju sile analogne onima koje djeluju na poznatu tvar. Neki su se istraživači dali u potragu za "tamnim fotonima", koji bi bili poput normalnih fotona koji posreduju u prenošenju elektromagnetskog međudjelovanja, osim što bi ovi posredovali među česticama tamne tvari. Kako je LiveScience već ranije pisao, talijanski fizičari se pripremaju bombardirati dijamant snopom elektrona i njihovih antičestica, poznatijih kao pozitroni. Ako tamni fotoni uistinu postoje, parovi elektrona i pozitrona bi se trebali poništiti i stvoriti novu subatomsku česticu, i time nam dati potpuno novi pogled na nastanak Svemira.

Postoji li mogućnost da je tamna tvar građena od aksiona?

Kako fizičari sve više odbacuju WIMP-ove, tako se nekim drugim česticama počela pridavati pažnja. Jedna od omiljenih zamjena je hipotetska čestica poznata kao aksion, koja bi imala izuzetno malu masu, možda čak za 10 na 31 manju od protona. Trenutno se provode eksperimenti u kojima se nastoji pronaći dokaz postojanja tih hipotetskih čestica. Prema pisanju LiveScience-a, nove računalne simulacije upućuju na mogućnost da bi neki objekti slični zvijezdama [tzv.antizvijezde] mogle biti građene od tih čestica, što bi objasnilo zračenje koje dolazi od tih objekata, misteriozne pojave poznate pod nazivom brzi izboji radiovalova (Fast Radio Burst FRB).

Koja su svojstva tamne materije?

Astronomi promatraju tamnu materiju kroz njezine gravitacijske interakcije s običnom materijom, sugerirajući da je to jedini način na koji možemo sa sigurnošću utvrditi njenu prisutnost. No razumijevanje prave prirode tamne materije još im izmiče. Prema nekim teorijama, antimaterija, kao suprotnost uobičajenoj materiji bi se sastojala od antičestica, što znači da bi se u sudaru s česticama [materije] poništila. Pomoću alfa-magnetskog spektrometra (AMS) smještenog na Međunarodnoj svemirskoj postaji, znanstvenici nastoje pronaći znakove anihilacije materije i antimaterije još od 2011. godine, i već su ih opazili nekoliko stotina tisuća. Znanstvenici još uvijek nisu sigurni radi li se uistinu o tamnoj tvari, a izvor [zračenja] bi im trebao pomoći da utvrde od čega je građena tamna tvar.

Postoji li tamna materija u svakoj galaksiji?

Tamna tvar, koja daleko nadmašuje količinu obične materije, smatra se dominantnom silom u oblikovanju velikih struktura svemira poput galaksija i njihovih skupova. Zbog toga je bilo iznenađujuće kada su astronomi ranije ove godine izvijestili o otkriću galaksije NGC 1052-DF2, koja je, čini se, gotovo lišena tamne tvari. "Čini se da tamna tvar nije nužna za stvaranje galaksije," rekao je Pieter van Dokkum s Yalea za Space.com tada. Međutim, tijekom ljeta, zaseban tim je objavio analizu sugerirajući da je van Dokkumov tim pogrešno izmjerio udaljenost do galaksije, što znači da je njezina vidljiva materija bila znatno slabija i lakša nego što se prvotno smatralo te da je više njezine mase zapravo bilo u tamnoj tvari.

Što je s rezultatima DAMA / LIBRA eksperimenta?

Jedna od trajnih misterija u fizici čestica su neobični rezultati europskog eksperimenta poznatog pod nazivom DAMA/LIBRA [eksperiment kojim se istražuje tamna materija mjerenjem sitnih promjena uzrokovanih sudarima čestica s kristalima natrijeva jodida]. Detektor — smješten duboko ispod planine Gran Sasso u Italiji — pokušava otkriti periodične oscilacije u česticama tamne tvari. Ova bi se oscilacija trebala pojaviti kako se Zemlja kreće na svojoj orbiti oko Sunca dok prolazi kroz galaktički tok tamne tvari koji okružuje naš Sunčev sustav, ponekad nazivan tamnim vjetrom. DAMA/LIBRA tim tvrdi da detektira taj signal od 1997. godine, iako slični eksperimenti diljem svijeta nisu uspjeli pronaći takav dokaz.

Može li tamna tvar imati električni naboj?

Signal iz najranijih trenutaka svemira naveo je neke fizičare da predlože mogućnost da tamna tvar ima električni naboj. Zračenje valne duljine od 21 centimetar emitirale su zvijezde u ranoj fazi svemira, samo 180 milijuna godina nakon Velikog praska. Ovo zračenje apsorbirao je tada prisutni hladni vodik. Kad su ga znanstvenici otkrili u veljači ove godine, iznenadilo ih je da je vodik bio puno hladniji od očekivanog. Astrofizičar Julian Muñoz sa sveučilišta Harvard iznio je hipotezu da bi tamna tvar koja ima električni naboj mogla "izvući" toplinu iz sveprisutnog vodika, slično kao što kockice leda hlade limunadu. Međutim, ta pretpostavka još uvijek nije potvrđena.

Mogu li se obične čestice raspasti u tamnu materiju?

Neutroni su čestice obične materije s ograničenim vijekom trajanja. Nakon otprilike 14,5 minuta, slobodan neutron, odvojen od atoma, raspada se u proton, elektron i neutrino. Međutim, prema eksperimentima navedenima u studiji objavljenoj u srpnju u časopisu Physical Review Letters, pokazuju blagu razliku u vrijednostima raspada, koja iznosi oko 9 sekundi. Početkom ove godine, fizičari su predložili da bi anomaliju mogao objasniti scenarij u kojem se u 1% slučajeva neutroni raspadaju u čestice tamne tvari. Christopher Morris iz Nacionalnog laboratorija Los Alamos u Novom Meksiku i njegov tim pratili su neutrone u potrazi za signalom koji bi mogao ukazivati na tamnu tvar, ali ništa nisu uspjeli pronaći. Studija je ipak ostavila otvorenom mogućnost drugih oblika raspada.

Postoji li uistinu tamna materija?

S obzirom na sve poteškoće u otkrivanju i tumačenju tamne tvari, logično je zapitati se jesu li znanstvenici možda krenuli pogrešnim putem. Već godinama, nekolicina fizičara tvrdi da je moguće da su temeljne teorije o gravitaciji pogrešne i da ona na velikim udaljenostima funkcionira drugačije nego što mislimo. Ove teorije, poznate kao modeli "modificirane Newtonove dinamike" (MOND), sugeriraju da tamna tvar zapravo ne postoji, te da su iznimno velike brzine kojom se zvijezde i galaksije okreću jedna oko druge posljedica neobičnog ponašanja gravitacije. "Neosporno postojanje tamne tvari još uvijek nije potvrđeno," napisao je Don Lincoln za Live ScienceNo, unatoč tim tvrdnjama, šira znanstvena zajednica ostaje skeptična. A najnoviji dokazi? Oni ponovno idu u prilog postojanju tamne tvari.