Naslovna > Kolumne > Traganje za tamnom materijom
tamna tvar

Traganje za tamnom materijom

Tamna materija je nama nepoznat oblik mase kojeg u Svemiru ima oko 6x više od “obične”, tj barionske mase.

 

Ona čini većinu mase u Svemiru ali unatoč tome nije nam poznato što je čini. Prve naznake postojanja “nevidljive mase” otkrivene su 1930ih, kada su astronomi primijetili kako spiralne galaksije ne rotiraju u skladu s Keplerovim zakonima. Od tada astronomi tragaju za odgovarajućom teorijom koja bi mogla opisati svojstva tamne materije i česticom koja je čini. Unatoč sve boljim instrumentima, opsežnijim promatranjima, još uvijek ne znamo što je ona pa se astronomi i astrofizičari trude opaziti bilo kakav njen trag ili način na koji ona interaktira s elektromagnetskim zračenjem. Što je tamna materija i kako je nastala je jedno od gorućih pitanja kozmologije.

 

Jedna od metoda za traženje tamne materije je traganje za gama zračenjem. Na razočaranje astrofizičara, višak gama zraka koje su primijetili u središnjoj regiji naše galaksije ne dolazi od tamne materije. Oni su se nadali kako opaženo zračenje nastaje kao rezultat nasumičnog poništavanja (anihilacije) čestica tamne materije, ali nova studija ukazuje kako to nije slučaj.

 

Prije nekoliko godina svemirski opservatorij Fermi opazio je višak gama zraka u blizini središta naše galaksije. Kako silno zračenje nije moglo biti objašnjeno klasičnim izvorima, astrofizičari su procesom eliminacije došli do zaključka kako je njegov uzrok anihilacija WIMP-a, masivnih slabointeraktirajućih čestica. Kao ogradu, astrofizičari su već tada rekli kako njihove zaključke tek treba potvrditi promatranjima.

 

Ta dodatna promatranja su otkrila kako taj difuzni sjaj gama zraka iz središta galaksije nije jednolik, već je pri većim rezolucijama zrnat. Visoki sjaj gama zraka u prijašnjim promatranjima uspio je saturirati instrumente i nadjačati sjaj pojedinih izvora zbog čega su promatranja ukazivala na to kako se radi o difuznom, jednolikom izvoru zračenja, kakav se očekuje od anihilacija u oblaku tamne materije. Nova promatranja otkrivaju kako je barem 70% svog gama zračenja porijeklom s pulsara, brzorotirajuće neutronske zvijezde. Za razinu primijećenog zračenja je potrebna populacija od oko 1000 pulsara u blizini središta galaksije, što nije nemoguće kada se u obzir uzmu njeni gabariti i puno je vjerojatnije od anihilacija čestica tamne materije.

 

Sumnju na tamnu materiju kao izvor zračenja već su prije bacila promatranja patuljastih galaksija. One zbog malenog broja zvijezda ne bi smjele imati veliki broj pulsara i velika većina gama zračenje bila bi rezultat anihilacije tamne materije. Promatranja takvih galaksija nisu otkrila očekivani višak gama zraka kakav je primijećen u našem Mliječnom Putu, što je bacilo sumnju na promatranja teleskopa Fermi.

 

Astronomi sada žele dobiti jasniju sliku zvjezdane populacije oko središta naše galaksije kako im se ovakve zabune više ne bi događale. Slijedi studija koja će usmjeriti radioteleskope kako bi se potvrdilo jesu li točkasti izvori gama zračenja vidljivi u radiospektru. Ako emitiraju radiovalove, onda znamo sigurno da se radi o pulsarima a ne o tamnoj materiji.

 

Danas imamo više modela tamne materije koja pokušavaju objasniti njena neobična svojstva, zašto ne interaktira s elektromagnetnim zračenjem i kako se raspoređuje u prostoru. Model hladne tamne materije pretpostavlja kako nju čine čestice znatno masivnije od protona, koje se kreću znatno sporije od brzine svjetlosti kroz prostor. Kako je temperatura vezana uz brzinu gibanja čestica, one koje se kreću brzinama bliskim svjetlosti su visoke temperature, a one koje se kreću sporije niske, hladnije. Iz tog razloga je hipotetska čestica tamne materije hladna. Model hladne tamne materije veoma dobro predviđa strukture na skalama većim od pojedinih galaksije ali ima problema s manjim skalama. Kao primjer, hladna tamna materija trebala bi biti koncentrirana u središtima galaksije iako nam promatranja govore kako to nije slučaj, jer je manje više jednoliko raspoređena oko galaksija.

 

Kako bi se doskočilo tom problemu hladne tamne materije, postoje alternativni model. U jednom takvom modelu čestice puno manje mase od elektrona, čak 10-29 puta lakša od elektrona, glavni su sastojak tamne materije. Prema kvantnoj teoriji svaka čestica uz sebe ima vezanu valnu duljinu, tj. nesigurnost u njenom položaju. Kod čestice tamne materije tako male mase, valna duljina je oko 3000 svjetlosnih godina. Ovu teoriju nazivamo model skalarnog polja tamne materije.

 

Valne funkcije čestica tako makroskopskih duljina mogu interaktirati, tj. poništavati, zbrajati i djelovati kao kvantni sustav na makroskopskoj, galaktičkoj skali umjesto na atomskoj. Valne funkcije tih duljina dovela bi do toga da se tamna materija ne može koncentrirati u središtu galaksija, već bi bila difuzno (fuzzy) raspoređena svuda naokolo u prostoru. Privlačenje barionske materije dovelo bi do njenog još većeg rasipanja, što bi objasnilo zašto nemamo guste oblake tamne materije.

 

Model skalarnog polja tamne materije dobro objašnjava pojave na dimenzijama manjih galaksija, ali kod većih galaksija ili galaktičkih jata potreban je kompliciraniji model. U nadogradnji modela čestice tamne materije zbog veće gustoće imaju više kvantnih stanja i ponašaju se slično kao pobuđeni elektroni u orbitalama s visokom energijom. Takva pobuđena kvantna stanja utjecala bi na to kako se mijenja gustoća tamne materije kako se udaljavamo od središta galaksija.

 

U pokušaju dokazivanja teorije skalarno polja, astronomi su usmjerili teleskop za visoke energije Chandru, prema 13 grozdova galaksija. Raspored tamne materije utjecat će na to kako se šire X-zrake i tako indirektno otkriti svoju raspodjelu u prostoru. Chandrina promatranja 13 grozdova otkrila su kako najjednostavniji model skalarnog polja ne odgovara najbolje promatranom rasporedu tamne materije, ali modificirana teorija, koja uključuje pobuđena kvantna stanja, dobro se poklapa s opaženim rasporedom. Poklapanje je jednako dobro kao i kod puno prihvaćenijeg modela hladne tamne materije.

 

Promatranja i studija koja je provedena ukazuju na to kako bi model skalarnog polja s pobuđenim stanjima mogao biti dobra alternativa za teoriju hladne tamne materije. Važno svojstvo modela je što predviđa oscilacije u gustoći tamne materije koje bi bile funkcija udaljenosti od središta galaksije. U ovoj studiji nisu uspjeli dokazati te oscilacije jer naši postojeći instrumenti previše grubi. Neki budući teleskop za visoke energije mogao bi razriješiti ovo pitanje ili će u međuvremenu astronomi pronaći neki novi trik u rukavu za provjeriti model skalarnog polja.

 

Za one koji žele znati više: ( klikni->) Povijest spoznaje o postojanju “nevidljive mase”.

 

Piše: Vedran Vrhovac