Većina Svemira sastoji se od "materije" koja se ne može shvatiti, možda nematerijalnog, i djeluje s drugim stvarima samo pomoću sile gravitacije. O da, i fizičari ne znaju o čemu se radi ili zašto postoji toliko toga u Svemiru - oko četiri petine njegove mase.
Znanstvenici to nazivaju tamnom materijom.
Pa gdje je ta tajanstvena materija koja čini tako veliki komad našeg svemira i kada će ga znanstvenici otkriti?
Kako znamo da ta materija postoji
Hipotezu o tamnoj materiji prvi je iznio švicarski astronom Fritz Zwicky 1930-ih, kada je shvatio da su mu mjerenja masa klastera galaksija pokazala da je masa svemira „nestala“. Što god galaksije čini težim, ne emitira nikakvu svjetlost, niti djeluje na bilo što drugo osim putem gravitacije.
Astronomka Vera Rubin, 1970-ih otkrila je da rotacija galaksija ne slijedi Newtonov zakon kretanja; zvijezde u galaksijama (posebno Andromeda) činilo se da se vrte oko središta jednakom brzinom, ali one dalje od zvijezde kreću se sporije. Kao da nešto dodaje masu vanjskom dijelu galaksije koju nitko nije mogao vidjeti.
Ostatak dokaza potječe iz gravitacijskog leća, koje se događa kada gravitacija velikog predmeta savija svjetlosne valove oko objekta. Prema teoriji Alberta Einsteina o općoj relativnosti, gravitacija savija prostor (poput hrvača sumo može deformirati prostirku na kojoj stoji) tako da se svjetlosne zrake savijaju oko velikih predmeta, iako je sama svjetlost bezmasna. Promatranja su pokazala da nema dovoljno vidljive mase za savijanje svjetlosti, kao što se događa oko pojedinih klastera galaksija - drugim riječima, galaksije su bile masivnije nego što bi trebale biti.
Promotivni video:
Zatim slijedi relikvijsko zračenje (CMB), "odjek" Velikog praska i supernova. "CMB nam govori da je svemir prostorno ravan", rekao je Jason Kumar, profesor fizike na Sveučilištu na Havajima. "Prostorno ravni" znači da ako povučete dvije crte kroz svemir, one se nikada ne presijecaju, čak i ako su linije bile milijarde svjetlosnih godina. U strmo zakrivljenom svemiru ove će se linije susresti u nekom trenutku svemira.
Sada postoji mala rasprava među kozmolozima i astronomima oko toga postoji li tamna tvar. Ne utječe na svjetlost, a ne nabije se poput elektrona ili protona. Do sada je izbjeglo izravno otkrivanje.
"Ovo je misterija", rekao je Kumar. Možda postoje načini na koje su znanstvenici pokušali "vidjeti" tamnu materiju - bilo kroz interakciju s običnom materijom, bilo kroz traženje čestica koje bi mogle biti tamne materije.
Što tamna materija nije
Mnogo je teorija dolazilo i nestajalo o tome što je tamna materija. Jedan od prvih bio je sasvim logičan: pitanje je bilo skriveno u ogromnim astrofizičkim kompaktnim halo objektima (MACHO), poput neutronskih zvijezda, crnih rupa, smeđih patuljaka i planeta lopova. Oni ne emitiraju svjetlost (ili emitiraju vrlo malo), pa su teleskopima gotovo nevidljivi.
Međutim, istraživanje galaksija koje traže male izobličenja u zvjezdanoj svjetlosti proizvedenoj od strane MACHO-a prolazeći - nazvanim mikroležiranjem - nije moglo objasniti količinu tamne tvari oko galaksija, ili čak veći dio nje. "Čini se da su MACHO-i isključeni kao i uvijek", rekao je Dan Hooper, znanstveni suradnik u Nacionalnoj laboratoriji za ubrzanje u Fermiju u Illinoisu.
Čini se da tamna tvar nije oblak plina koji se ne mogu vidjeti kroz teleskope. Difuzni plin apsorbirat će svjetlost iz udaljenih galaksija, a na vrhu tog normalnog plina ponovno će emitirati zračenje na velikim valnim duljinama - na nebu će se stvoriti ogromna emisija infracrvene svjetlosti. Kako se to ne događa, možemo to isključiti.
Što bi moglo biti?
Slabo interaktivne masivne čestice (WIMP-ovi) su neki od najjačih protivnika za objašnjenje tamne materije. Wimps su teške čestice - oko 10 do 100 puta teži od protona, koji su stvoreni tijekom Velikog praska i koji i danas ostaju u malom broju. Te čestice komuniciraju s normalnom materijom putem gravitacije i slabih nuklearnih sila. Masivniji WIMP-ovi kretat će se sporije kroz prostor, pa mogu biti kandidati za "hladnu" tamnu tvar, dok će se oni svjetliji brže kretati i biti kandidati za "toplu" tamnu tvar.
Jedan način da se pronađu je putem "izravne detekcije", poput eksperimenta Veliki podzemni ksenon (LUX), koji je spremnik s tekućim ksenonom u rudniku Južna Dakota.
Drugi način da se vidi wimps mogao bi biti s akceleratorom čestica. Unutar akceleratora se atomska jezgra razbijaju brzinom bliskom brzini svjetlosti, a tijekom sudara ta se energija sudara pretvara u druge čestice, od kojih su neke nove znanosti. Do sada nije pronađeno ništa u akceleratorima čestica koji izgledaju poput pretpostavljene tamne materije.
Druga mogućnost: sjekire. Te subatomske čestice mogu se posredno detektirati prema vrsti zračenja koje emitiraju, kako uništavaju ili kako propadaju u druge vrste čestica ili se pojavljuju u akceleratorima čestica. Međutim, niti za izravne dokaze nema izravnih dokaza.
Budući da otkriće teških, sporih "hladnih" čestica poput vjetrova ili sjekira još nije dalo rezultata, neki znanstvenici razmatraju mogućnost svjetlosti, čestica koje se brže kreću, koje uzrokuju "toplu" tamnu tvar. Obnovljeno je zanimanje za takav model tamne materije nakon što su znanstvenici pronašli dokaze o nepoznatoj čestici pomoću rendgenskog opservatorija Chandra, u klasteru Perseus, skupine galaksija oko 250 milijuna svjetlosnih godina od Zemlje. Poznati ioni u ovom klasteru proizvode određene linije rendgenske emisije, a 2014. godine znanstvenici su vidjeli novu "liniju" koja bi mogla odgovarati nepoznatoj čestici svjetlosti.
Ako su čestice tamne materije svjetlost, znanstvenicima će biti teško da ih izravno pronađu, rekla je fizičarka iz MIT-a Tracey Slater. Predložila je nove vrste čestica koje mogu sačinjavati tamnu materiju.
"Tamnu tvar s masom manjom od oko 1 GeV doista je teško detektirati standardnim eksperimentima izravnog otkrivanja, jer oni rade tako što traže neobjašnjive odvode atomskog jezgra … ali kada je tamna tvar puno lakša od atomskog jezgra, energija povratne energije je vrlo mala", rekla je Tracy Slater.
Mnogo je istraživanja provedeno u potrazi za tamnom materijom, a ako postojeće metode ne uspiju, provest će se nove. Korištenje „tekućeg“tekućeg helija, poluvodiča, pa čak i razbijanje kemijskih veza u kristalima, neke su od novih ideja za otkrivanje tamne materije.