Tamsiojoje pusėje. Mokslininkai atskleidė vienos iš visatos paslapčių sprendimą

Skaičiavimai rodo, kad erdvė užpildyta daugiausia tamsiosios medžiagos. Ji su niekuo nesąveikauja, todėl jos niekaip negalima identifikuoti

VILNIUS, sausio 15 — Sputnik. Galima tik spėlioti apie šios sunkiai suvokiamos medžiagos kilmę, sudėtį ir savybes. Remiantis viena iš naujausių hipotezių, ji susidarė iš įprastų dalelių ankstyvojoje visatoje. Rašo RIA Novosti autorius Vladislavas Strekopitovas.

Paslėptos visatos masės atradimas

1933 metais amerikiečių astronomas Fritzas Zwicky, stebėdamas galaktikas 300 milijonų šviesmečių atstumu nuo Paukščių Tako Komos žvaigždyno kryptimi, atrado, kad šio objekto dinaminė masė, nustatyta pagal galaktikų greitį, yra maždaug 50 kartų didesnis už rezultatą, gautą įvertinus žvaigždžių šviesumą. Po trejų metų kitas amerikietis Sinclair Smithas susidūrė su tokiu pat masės trūkumu Mergelės galaktikų spiečiuje.

Tokio rimto neatitikimo negalima paaiškinti skaičiavimo klaida, todėl mokslininkai padarė išvadą, kad kai kuriose galaktikose yra nešviečiančios medžiagos. Jis tai pavadino tamsiąja medžiaga.

Keletą dešimtmečių tai buvo sunkiai prisimenama — kol 1970 metais amerikiečių astronomai Vera Rubin ir Kentas Fordas paskelbė sensacingus žvaigždžių ir dujų debesų greičio matavimo rezultatus didelėje spiralinėje galaktikoje M31 — Andromedos ūke. Keplerio mechanikos teigimu, didėjant atstumui nuo galaktikos centro, greitis turėtų mažėti. O M31 galaktikoje ir centre, ir periferijoje žvaigždės judėjo maždaug vienodai, tarsi būtų sujungtos kažkokiu karkasu — grandioziniu debesiu, kurio masė daug didesnė už žvaigždes.

Rubin, Ford ir kiti tą patį matė dešimtyse kitų spiralinių galaktikų. Tikėtini ir realūs materijos sukimosi greičiai skyrėsi ne procentais ar net dešimtimis procentų, o kelis kartus. Remiantis skaičiavimais, periferinės žvaigždės ir dujos didelėje spiralinėje galaktikoje turėtų judėti 30–40 kilometrų per sekundę greičiu, iš tikrųjų — 150–200. Tapo aišku, kad būtina atsižvelgti į kai kuriuos anksčiau nežinomus veiksnius.

Ir čia labai pravertė Zwicky pasiūlytas terminas. Mokslininkai pasiūlė, kad kuriant galaktikos gravitacinius laukus, nežinomos prigimties tamsiosios medžiagos dalelės, neprieinamos tiesioginiam stebėjimui.

Mūsų laikais, kai šiuolaikiniai superkompiuteriai gali atlikti sudėtingiausius skaičiavimus, ši hipotezė vis dar yra dėmesio centre. Taigi praėjusiais metais tik "Physical Review" žurnalas paskelbė 345 straipsnius apie tamsiąją medžiagą.

Nuo 1970-ųjų šimtams galaktikų buvo sukurtos sukimosi kreivės — žvaigždžių orbitos greičių priklausomybės nuo atstumo iki galaktikos centrų grafikai. Ir visur jie nesutapo su skaičiavimais, pagrįstais matomos materijos masės pasiskirstymu.

Žinoma, astronomai pirmiausia ieškojo kažkokių nematomų objektų, pagamintų iš įprastos materijos, pavyzdžiui, rudųjų nykštukų — labai silpnų Jupiterio dydžio, bet keliasdešimt kartų masyvesnių žvaigždžių. Iš tiesų, 1990-ųjų pabaigoje ir 2000-ųjų pradžioje daug tokių objektų buvo aptikta naudojant kosminius teleskopus. Be to, jie pasirodė esąs reikšmingiausias Paukščių Tako žvaigždžių komponentas. Jie taip pat atrado šaltus tarpgalaktinius vandenilio ir helio debesis. Permatomos žvaigždžių šviesai, jas jaučia tik būdinga spektro vandenilio linija, o jų masė galaktikų spiečiuose yra dešimt kartų didesnė už žvaigždžių masę. Tačiau ir to, kaip paaiškėjo, nepakanka sukimosi kreivių nuokrypiams paaiškinti.

Remiantis šiuolaikiniais modeliais, Visatoje yra apie 70 procentų tamsiosios energijos, 25 procentų tamsiosios medžiagos ir tik penki procentai yra paprastos, barioninės medžiagos, kurią sudaro žvaigždės, planetos, dujų ir dulkių debesys. Tai yra, tamsiosios medžiagos yra penkis kartus daugiau nei įprastos medžiagos. Be to, mokslininkai nustatė, kokias savybes turi turėti tamsiosios medžiagos dalelės.

Fizikai mano, kad šios dalelės juda lėtai, tai yra, tamsioji medžiaga yra šalta. Todėl neutrinai netinka šiam vaidmeniui. Jie taip pat labai silpnai sąveikauja tarpusavyje, su įprastos medžiagos dalelėmis ir fotonais ir tuo pačiu sukuria gravitacinį lauką, tai yra, jie yra gana masyvūs. Jie buvo vadinami silpnai sąveikaujančiomis masyviomis dalelėmis (WIMP). Skaičiavimai parodė, kad jie yra šimtus ir tūkstančius kartų sunkesni už protoną.

Nuo 1990-ųjų Wimps ieškojo keliolikos instaliacijų visame pasaulyje. Vienintelis signalas, galintis patvirtinti tamsiosios medžiagos dalelių egzistavimą, buvo užfiksuotas 2020 metų birželį jautriausiu pasaulyje XENON detektoriumi Gran Sasso laboratorijoje Italijoje.

Pati laboratorija yra giliai po žeme, kad užtikrintų tinkamą ekraną ir sumažintų foninį triukšmą. Pagrindinis įrenginio elementas — dvi tonas sveriantis rezervuaras su skystu radioaktyviai išgrynintu ksenonu. Jei patekusi tamsiosios medžiagos dalelė atsitrenks į ksenono atomus, išsiskirs fotonai ir elektronai, o fotodaugintuvai viršutinėje ir apatinėje rezervuaro dalyse tai užfiksuos. 2020 m. birželio 16 d. mokslininkai pastebėjo perteklinius signalus, kurie neatitiko standartinio modelio, arba foninį triukšmą. Tačiau jis neatrodė labai panašus į WIMP.

Kitas tamsiosios medžiagos kandidatas yra silpnai sąveikaujančios plonos dalelės (WISP). Garsiausias yra aksionas. Ją teoretikai įvedė kvantinės chromodinamikos rėmuose, norėdami paaiškinti CP simetriją. Mokslininkų teigimu, šią stabilią, neįkrautą dalelę galima rasti stipriuose magnetiniuose laukuose, kur ji turi indukuoti fotonus. Jie taip pat ieško krypčių nuo 1990 m., įskaitant eksperimentus CERN, ir iki šiol nesėkmingai.

Kuri materija yra pirminė

Tamsioji medžiaga sąveikauja su įprasta medžiaga ir spinduliuote tik per gravitaciją. Iš teorinių skaičiavimų ir praktinių stebėjimų galima daryti išvadą, kad galaktika tampa stabili, jei ji yra panardinta į sferinį debesį — masyvios materijos aureolę, daug didesnę nei matoma. Toks debesis palaiko žvaigždžių ir galaktikos dujų pusiausvyrą, neleidžia galaktikai subyrėti.

Mokslininkai teigia, kad dalelės, užtikrinančios trūkstamą Visatos masę, atsirado netrukus po Didžiojo sprogimo, o jų pasiskirstymas buvo netolygus. Regionai su padidėjusiu tamsiosios medžiagos tankiu pritraukė įprastą medžiagą, kuri pateko į gravitacijos skyles. Taip susiformavo pirmosios žvaigždės, o vėliau — galaktikos. Be tamsiosios medžiagos, kaip materijos koncentracijos "katalizatoriaus", sunku paaiškinti greitą heterogeniškumo augimą ankstyvojoje Visatoje.

Tačiau neaišku, kaip atsirado pačios tamsiosios medžiagos dalelės. Tai išsiaiškinti yra viena ambicingiausių šiuolaikinės fizikos užduočių.

Manoma, kad "terminės vonios" stadijoje susidarė tamsioji medžiaga — elektronų, barionų ir fotonų plazma. Dėl jų sąveikos gimė kitos dalelės. Tada, Visatai plečiantis ir plazmai atvėsus, šios reakcijos sustojo ir prasidėjo rekombinacija — atomų formavimasis. Tai yra, iš karto atsirado daug tamsiosios medžiagos, o nuo to laiko jos kiekis nepasikeitė.

Neseniai mokslininkai iš Norvegijos, Vokietijos, Belgijos, JAV ir Izraelio pasiūlė kitą variantą. Jų nuomone, tamsiosios ir paprastosios materijos dalelės "terminėje vonioje" atsirado beveik vienu metu, tačiau vėliau tamsiosios medžiagos ėmė eksponentiškai daugėti dėl eksponentinio augimo mechanizmo, būdingo daugeliui fizikinių procesų. Visatai plečiantis, šis procesas sustiprėjo ir sustojo tik plėtimuisi sulėtėjus.

Pagal šį scenarijų suprantama, kodėl tamsioji medžiaga dažniausiai telkiasi ne centriniuose galaktikų ir jų spiečių regionuose, o aplinkinėse galaktikos aureolėse.

Sudėtinis "Bullet" galaktikų spiečiaus vaizdas, padarytas antžeminiais Magelano teleskopais ir Hablo bei Chandra kosminiais teleskopais

© Photo : Chandra X-ray Observatory Center

Laikas ir nauji eksperimentai su dideliais antžeminiais greitintuvais ir detektoriais, taip pat stebėjimai milžiniškuose ateities teleskopuose parodys, koks teisingas siūlomas modelis. Tuo tarpu kito tyrimo dalyviai pranešė apie neigiamą rezultatą.

Pietų Korėjos mokslininkai detektoriuje COSINE-100 bandė užregistruoti sezoninius WIMP registracijos svyravimus, kuriuos sukėlė Žemės greičio pasikeitimas, palyginti su tamsiosios medžiagos aureole, kai ji sukasi aplink Saulę. Italų bendradarbiavimas DAMA atkreipė dėmesį į galimybę ištaisyti tokius sezoninius neatitikimus dar 1998 metais. Tačiau COSINE-100 eksperimento duomenų analizė neatskleidė tamsiosios medžiagos.