Sve što smo ikada promatrali u Svemiru, od materije do zračenja, može se razgraditi na najmanje komponente. Sve se na ovom svijetu sastoji od atoma, koji se sastoje od nukleona i elektrona, a nukleoni su podijeljeni u kvarkove i gluone. Svjetlost se također sastoji od čestica: fotona. Čak su i gravitacijski valovi u teoriji sastavljeni od gravitona: čestica koje jednog dana, ako imamo sreće, pronađemo i popravimo. Ali što je s tamnom materijom? Neizravni dokazi o njegovom postojanju ne mogu se poreći. Ali treba li i on biti sastavljen od čestica?
Navikli smo misliti da se tamna tvar sastoji od čestica i beznadno ih pokušavamo otkriti. Ali što ako gledamo na pogrešnom mjestu?
Ako se tamna energija može tumačiti kao energija svojstvena samom tkivu prostora, može li biti da je "tamna tvar" također unutarnja funkcija samog prostora - usko ili daljinski povezana s tamnom energijom? I da će umjesto tamne tvari gravitacijski učinci koji bi mogli objasniti naša opažanja biti više zbog "tamne mase"?
Pa, posebno za vas, fizičar Ethan Siegel izložio je naše teorijske pristupe i moguće scenarije.
Jedna od najzanimljivijih karakteristika svemira je jedan na jedan odnos između onoga što je u svemiru i kako se brzina širenja mijenja s vremenom. Kroz mnoga pažljiva mjerenja mnogih različitih izvora - zvijezda, galaksija, supernova, kozmičke mikrovalne pozadine i velikih struktura Svemira - uspjeli smo izmjeriti i jedno i drugo, određujući od čega je Svemir napravljen. U osnovi, postoji mnogo različitih ideja o tome od čega se svemir može sastojati i svi imaju različite učinke na kozmičko širenje.
Zahvaljujući dobivenim podacima, sada znamo da je svemir napravljen od sljedećeg:
- 68% tamne energije, koja ostaje na konstantnoj gustoći energije čak i kad se prostor širi;
Promotivni video:
- 27% tamne tvari, koja pokazuje gravitacijsku silu, zamućeno je kako se volumen povećava i ne dopušta se mjerenje bilo kojom drugom poznatom silom;
- 4,9% obične tvari, koja očituje sve svoje sile, zamagljuje se s povećanjem volumena, čvori se u grudice i sastoji od čestica;
- 0,1% neutrina, koji pokazuju gravitacijsku i elektroslabu interakciju, sačinjavaju se od čestica i međusobno se kucaju samo kad usporavaju dovoljno da se ponašaju poput materije, a ne zračenja;
- 0,01% fotona, koji pokazuju gravitacijski i elektromagnetski utjecaj, ponaša se kao zračenje i zamagljeni su kako s povećanjem volumena tako i s istezanjem valnih duljina.
Vremenom ove razne komponente postaju relativno više ili manje važne, a ovaj postotak predstavlja ono od čega je svemir danas napravljen.
Tamna energija, kako slijedi iz naših najboljih mjerenja, ima ista svojstva u bilo kojoj točki prostora, u svim smjerovima svemira i u svim epizodama naše kozmičke povijesti. Drugim riječima, tamna energija je istovremeno homogena i izotropna: ista je svugdje i uvijek. Koliko možemo zaključiti, tamnoj energiji nisu potrebne čestice; lako može biti svojstvo svojstveno tkivu prostora.
Ali tamna je materija bitno drugačija.
Da bi struktura koju vidimo u Svemiru nastala, posebno u velikim kozmičkim razmjerima, tamna tvar mora ne samo postojati, već se i okupljati. Ne može imati istu gustoću u cijelom svemiru; nego bi trebao biti koncentriran u regijama veće gustoće, a trebao bi biti manje gust ili ga uopće nema u regijama manje gustoće. Zapravo možemo reći koliko je ukupne tvari u različitim područjima svemira, vođeni promatranjima. Tri najvažnija su:
Spektar snage materije
Mapirajte materiju u svemiru, pogledajte u kojoj mjeri ona odgovara galaksijama - odnosno, koliko je vjerojatno da ćete pronaći drugu galaksiju na određenoj udaljenosti od galaksije s kojom započinjete - i proučite rezultat. Da se svemir sastoji od homogene supstance, struktura bi bila razmazana. Kad bi u svemiru bilo tamne materije koja se nije sakupila dovoljno rano, struktura u malim razmjerima bila bi uništena. Spektar snage energije govori nam da približno 85% materije u Svemiru predstavlja tamna tvar koja se ozbiljno razlikuje od protona, neutrona i elektrona, a ta je tamna tvar rođena hladna ili je njena kinetička energija usporediva s masom mirovanja.
Gravitacijsko leće
Pogledajte masivni objekt. Recimo kvazar, galaksija ili nakupine galaksija. Pogledajte kako se pozadinska svjetlost iskrivljuje prisutnošću predmeta. Budući da razumijemo zakone gravitacije kojima upravlja Einsteinova teorija opće relativnosti, način savijanja svjetlosti omogućuje nam da odredimo kolika je masa prisutna u svakom objektu. Kroz druge metode možemo odrediti količinu mase koja je prisutna u običnoj tvari: zvijezdama, plinu, prašini, crnim rupama, plazmi itd. I opet otkrivamo da 85% materije predstavlja tamna tvar. Štoviše, distribuira se difuznije, mutnije od obične tvari. To potvrđuje slabo i jako leće.
Kozmička mikrovalna pozadina
Ako pogledate preostali sjaj zračenja Velikog praska, ustanovit ćete da je on približno jednoličan: 2,725 K u svim smjerovima. Ali ako bolje pogledate, možete uočiti da se na skalama od desetaka do stotina mikrokelvina uočavaju sitni nedostaci. Govore nam nekoliko važnih stvari, uključujući energetske gustoće obične tvari, tamne tvari i tamne energije, ali što je najvažnije, govore nam koliko je svemir bio homogen kad je bio samo 0,003% njegove današnje dobi. Odgovor je da je najgušće područje bilo samo 0,01% gušće od najmanje gustog područja. Drugim riječima, tamna tvar je započela u homogenom stanju i skupljala se kako je vrijeme prolazilo.
Sastavljajući sve zajedno, dolazimo do zaključka da bi se tamna tvar trebala ponašati poput tekućine koja ispunjava svemir. Ova tekućina ima zanemariv tlak i viskoznost, reagira na tlak zračenja, ne sudara se s fotonima ili običnom materijom, rođena je hladna i nerelativistička i vremenom se skuplja pod utjecajem vlastite gravitacije. Određuje stvaranje struktura u Svemiru na najvećim razmjerima. Vrlo je heterogena, a veličina njegove heterogenosti raste s vremenom.
Evo što o tome možemo reći u velikoj mjeri, jer se odnose na opažanja. Na malim razmjerima možemo samo pretpostaviti, ne potpuno sigurni, da je tamna tvar sastavljena od čestica sa svojstvima zbog kojih se ona ponaša u velikoj mjeri. Razlog zbog kojeg to pretpostavljamo je taj što je svemir, koliko nam je poznato, u osnovi sastavljen od čestica, to je sve. Ako ste supstanca, ako imate masu, kvantni analog, tada se neizbježno morate sastojati od čestica na određenoj razini. Ali dok ne pronađemo ovu česticu, nemamo pravo isključiti druge mogućnosti: na primjer, da je ovo vrsta tekućeg polja koje se ne sastoji od čestica, već utječe na prostor-vrijeme na način na koji bi čestice trebale.
Zbog toga je toliko važno pokušati izravno otkriti tamnu materiju. Teoretski je nemoguće potvrditi ili poreći temeljni sastojak tamne materije, samo u praksi, potkrijepljen opažanjima. Očito, tamna tvar nema nikakve veze s tamnom energijom.
Je li napravljen od čestica? Dok ih ne pronađemo, možemo samo nagađati. Svemir se u prirodi manifestira kao kvant u bilo kojem drugom obliku materije, pa je razumno pretpostaviti da bi tamna tvar bila ista.
Ilja Khel
