Tamsioji materija – viena iš didžiausių šiuolaikinės astrofizikos ir kosmologijos mįslių. Nors ji sudaro didžiąją Visatos materijos dalį, jos prigimtis vis dar lieka neaiški. Tamsioji materija neišspinduliuoja, neabsorbuoja ir neatspindi pastebimo lygio šviesos, todėl ji „nematoma“ (angl. “dark”) teleskopams, kurie remiasi elektromagnetine spinduliuote. Vis dėlto jos gravitacinis poveikis galaktikoms, galaktikų spiečiams bei Visatos stambiajai struktūrai yra neginčijamas.
Šiame straipsnyje aptarsime:
- Istorinius užuominas ir ankstyvuosius stebėjimus
- Įrodymus iš galaktikų sukimosi kreivių ir spiečių
- Kosmologinius bei gravitacinio lęšiavimo duomenis
- Tamsiosios materijos dalelių kandidatus
- Eksperimentinius paieškos metodus: tiesioginius, netiesioginius ir greitintuvus
- Atrinktus klausimus ir ateities perspektyvas
1. Istorinės užuominos ir ankstyvieji stebėjimai
1.1 Fritzas Zwicky ir trūkstama masė (1930-ieji)
Pirmą rimtą užuominą apie tamsiąją materiją pateikė Fritzas Zwicky 1930-aisiais. Tyrinėdamas Komos galaktikų spiečių, Zwicky matavo spiečiaus narių greičius ir taikė virialinę teoremą (ji sieja susijusios sistemos vidutinę kinetinę energiją su potencialia energija). Jis nustatė, kad galaktikos juda taip greitai, kad spiečius turėjo išsisklaidyti, jei jame būtų tik žvaigždžių ir dujų masė, kurią galime matyti. Kad spiečius išliktų gravitaciškai susietas, reikėjo daug „trūkstamos masės“, kurią Zwicky pavadino „Dunkle Materie“ (vokiškai „tamsioji materija“) [1].
Išvada: Galaktikų spiečiuose yra gerokai daugiau masės, nei matoma – tai rodo egzistuojant milžinišką nematomą komponentę.
1.2 Ankstyvas skepticizmas
Daugelį dešimtmečių dalis astrofizikų atsargiai vertino mintį apie didžiulius kiekius nešviečiančios materijos. Kai kurie linko į alternatyvius paaiškinimus, pavyzdžiui, gausius neryškių žvaigždžių ar kitų blankių objektų telkinius arba netgi į gravitacijos dėsnių modifikacijas. Tačiau vis daugėjant įrodymų, tamsioji materija tapo vienu iš kosmologijos pamatų.
2. Įrodymai iš galaktikų sukimosi kreivių ir spiečių
2.1 Vera Rubin ir galaktikų sukimosi kreivės
Esminis lūžis įvyko 7-ajame ir 8-ajame XX a. dešimtmečiuose, kai Vera Rubin ir Kentas Fordas matavo spiralinių galaktikų sukimosi kreives, tarp jų – Andromedos galaktikos (M31) [2]. Remiantis Niutono dinamika, žvaigždės, esančios toli nuo galaktikos centro, turėtų judėti lėčiau, jeigu didžioji masės dalis sutelkta centrinėje iškilumo (branduolio) srityje. Tačiau Rubin nustatė, kad žvaigždžių sukimosi greičiai išliko pastovūs ar net didėjo gerokai toliau, nei tęsiasi matoma galaktikos medžiaga.
Implikacija: Galaktikų aplinkoje yra išplitę „nematomos“ materijos halai. Šios plokščios sukimosi kreivės itin sustiprino teoriją, kad egzistuoja dominuojantis, nešviečiantis masės komponentas.
2.2 Galaktikų spiečiai ir „Kulkos spiečius“
Papildomi įrodymai gauti iš galaktikų spiečių dinamikos tyrimų. Be jau anksčiau Zwicky nagrinėto Komos spiečiaus, šiuolaikiniai matavimai rodo, kad masė, nustatoma iš galaktikų greičių ir rentgeno spindulių spinduliuotės duomenų, taip pat viršija vien matomą materiją. Ypač įspūdingas pavyzdys – Kulkos spiečius (1E 0657–56), stebėtas susiduriant galaktikų spiečiams. Čia lęšiavimo būdu (iš gravitacinio lęšiavimo) nustatyta masė aiškiai atsiskyrusi nuo didžiosios karštų, rentgeno spindulius skleidžiančių dujų (įprastos materijos) masės dalies. Šis atsiskyrimas yra rimtas įrodymas, kad tamsioji materija yra atskiras komponentas, skirtingas nuo barioninės medžiagos [3].
3. Kosmologiniai ir gravitacinio lęšiavimo įrodymai
3.1 Stambiosios struktūros formavimasis
Kosmologinės simuliacijos rodo, kad ankstyvojoje Visatoje egzistavo menki tankio sutrikimai – jie matyti kosminiame mikrobangų fone (CMB). Šie sutrikimai laikui bėgant išaugo į milžinišką galaktikų ir spiečių tinklą, kurį stebime dabar. Šaltoji tamsioji materija (CDM) – ne reliatyvistinės dalelės, kurios gali sutankėti veikiant gravitacijai – atlieka esminį vaidmenį spartinant struktūrų formavimąsi [4]. Be tamsiosios materijos paaiškinti susiformavusius stambius Visatos darinius per turimą laiką nuo Didžiojo sprogimo būtų labai sunku.
3.2 Gravitacinis lęšiavimas
Remiantis Bendrąja reliatyvumo teorija, masė iškreipia erdvėlaikį, todėl šalia jos sklindanti šviesa užlinksta. Gravitacinio lęšiavimo matavimai – tiek individualių galaktikų, tiek masyvių spiečių – nuolat rodo, kad bendra gravitacinė masė yra gerokai didesnė, nei sudaro vien šviesą išspinduliuojanti materija. Tiriant fono šaltinių iškraipymus, astronomai gali atkurti tikrąjį masės pasiskirstymą, dažnai aptikdami plačius nematomus masės halus [5].
4. Tamsiosios materijos dalelių kandidatai
4.1 WIMP (silpnai sąveikaujančios masyvios dalelės)
Istoriškai populiariausia tamsiosios materijos dalelių klasė buvo WIMP. Manoma, kad šios hipotetinės dalelės:
- yra masyvios (paprastai GeV–TeV diapazone),
- stabilios (arba itin ilgai gyvuojančios),
- sąveikauja tik gravitaciškai ir galbūt silpnąja branduoline sąveika.
WIMP dalelės patogiai paaiškina, kaip tamsioji materija galėjo susidaryti ankstyvojoje Visatoje tinkamu likutiniu tankiu – dėl vadinamojo „terminio užšalimo“ (angl. thermal freeze-out) proceso, kai, Visatai plečiantis ir vėstant, sąveika su įprasta materija tampa pernelyg reta, kad didele dalimi išnaikintų ar pakeistų tokių dalelių gausą.
4.2 Aksionai
Kitas įdomus kandidatas – aksionai, iš pradžių pasiūlyti spręsti „stipriosios KP problemą“ kvantinėje chromodinamikoje (QCD). Aksionai būtų lengvos, pseudoskaliarinės dalelės, kurios galėjo būti suformuotos ankstyvojoje Visatoje tokiu kiekiu, kad sudarytų visą reikiamą tamsiąją materiją. „Aksionams panašios dalelės“ (angl. axion-like particles) yra platesnė kategorija, galinti atsirasti įvairiuose teoriniuose rėmuose, įskaitant stygų teoriją [6].
4.3 Kiti kandidatai
- Sterilios neutrinos: sunkesni neutrino variantai, nesąveikaujantys silpnąja sąveika.
- Pirminiai juodieji koriai (PBH): spėjami juodieji koriai, susidarę labai ankstyvojoje Visatoje.
- „Šiltoji“ tamsioji materija (WDM): dalelės, lengvesnės už WIMP, galinčios paaiškinti dalį smulkaus mastelio struktūrų neatitikimų.
4.4 Modifikuota gravitacija?
Kai kurie mokslininkai siūlo gravitacijos pataisas, tokias kaip MOND (modifikuota Niutono dinamika) ar kitas bendresnes teorijas (pvz., TeVeS), siekiant išvengti egzotinių naujų dalelių. Tačiau „Kulkos spiečius“ ir kiti gravitacinio lęšiavimo duomenys rodo, kad tikra tamsioji materija – kuri gali būti atskirta nuo įprastos materijos – kur kas geriau paaiškina stebėjimus.
5. Eksperimentinės paieškos: tiesioginės, netiesioginės ir greitintuvai
5.1 Tiesioginės detekcijos eksperimentai
- Tikslas: užfiksuoti retus tamsiosios materijos dalelių ir atomų branduolių susidūrimus itin jautriuose detektoriuose, paprastai įrengtuose giliai po žeme, kad būtų apsisaugota nuo kosminių spindulių.
- Pavyzdžiai: XENONnT, LZ ir PandaX (naudojami ksenoniniai detektoriai); SuperCDMS (puslaidininkinis).
- Statusas: kol kas nėra neabejotino signalo, tačiau eksperimentų jautrumas pasiekia vis mažesnę sąveikos skerspjūvio ribą.
5.2 Netiesioginė detekcija
- Tikslas: ieškoti tamsiosios materijos anihiliacijos ar skilimo produktų – pvz., gama spindulių, neutrinų ar pozitronų – ten, kur tamsioji materija yra tankiausia (pvz., Galaktikos centre).
- Priemonės: Fermi gama spindulių kosminis teleskopas, AMS (Alfa magnetinis spektrometras TKS), HESS, IceCube ir kiti.
- Statusas: buvo pastebėta keli intriguojantys signalai (pvz., GeV gama spindulių perteklius netoli Galaktikos centro), tačiau kol kas nepatvirtinti kaip tamsiosios materijos įrodymai.
5.3 Greitintuvų tyrimai
- Tikslas: aukštos energijos susidūrimais (pvz., protonų susidūrimai Didžiajame hadronų greitintuve) sukurti galimas tamsiosios materijos daleles (pvz., WIMP).
- Metodas: ieškoti įvykių su didele trūkstama skersine energija (MET), kuri galėtų reikšti nematomas daleles.
- Rezultatas: kol kas nerasta patvirtinto naujos fizikos signalo, suderinamo su WIMP.
6. Neatsakyti klausimai ir ateities perspektyvos
Nors gravitaciniai duomenys neabejotinai rodo tamsiosios materijos egzistavimą, jos prigimtis išlieka vienu didžiausių fizikos mįslių. Toliau tęsiamos kelios tyrimų kryptys:
-
Naujos kartos detektoriai
- Dar didesni ir jautresni tiesioginės detekcijos eksperimentai siekia dar labiau prasiskverbti į WIMP parametrų diapazoną.
- Aksionų „haloskopai“ (pvz., ADMX) ir pažangūs rezonansinių ertmių eksperimentai ieško aksionų.
-
Tiksli kosmologija
- Kosminio mikrobangų fono (Planck ir būsimos misijos) bei didelio mastelio struktūros (LSST, DESI, Euclid) stebėjimai tobulina tamsiosios materijos tankio ir pasiskirstymo apribojimus.
- Suderinus šiuos duomenis su patobulintais astrofiziniais modeliais, galima paneigti ar susiaurinti nestandartinės tamsiosios materijos scenarijus (pvz., save sąveikaujančią tamsiąją materiją, šiltąją tamsiąją materiją).
-
Dalelių fizika ir teorija
- Nesant WIMP signalų, vis aktyviau svarstomos kitos alternatyvos, pvz., sub-GeV tamsioji materija, „tamsūs sektoriai“ ar dar egzotiškesni modeliai.
- Hablo įtampa – skirtumas tarp matuojamų Visatos plėtimosi greičių – paskatino kai kuriuos teoretikus nagrinėti, ar tamsioji materija (ar jos sąveikos) čia gali atlikti vaidmenį.
-
Astrofizikiniai tyrimai
- Išsamūs nykštukinių galaktikų, potvyninių „srautų“ ir žvaigždžių judėjimo Paukščių Tako hale tyrimai atskleidžia smulkių struktūrų niuansus, galinčius padėti atskirti skirtingus tamsiosios materijos modelius.
Išvada
Tamsioji materija yra esminė kosmologinio modelio dalis: ji lemia galaktikų ir spiečių formavimąsi bei sudaro didžiąją Visatos materijos dalį. Tačiau kol kas nesugebėjome jos tiesiogiai aptikti ar visiškai suprasti jos fundamentaliųjų savybių. Nuo Zwicky „trūkstamos masės“ problemos iki dabartinių, itin pažangių detektorių ir observatorijų – tęsiasi nepertraukiamos pastangos atskleisti tamsiosios materijos paslaptis.
Rizika (arba mokslinė vertė) čia didžiulė: bet koks galutinis aptikimas ar teorinis proveržis gali perkeisti mūsų supratimą apie dalelių fiziką ir kosmologiją. Nesvarbu, ar tai bus WIMP, aksionas, sterilus neutrinas, ar visiškai nenuspėta galimybė – tamsiosios materijos atradimas taptų vienu svarbiausių šiuolaikinio mokslo laimėjimų.
Nuorodos ir platesnis skaitymas
- Zwicky, F. (1933). “Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln.” Helvetica Physica Acta, 6, 110–127.
- Rubin, V. C., & Ford, W. K. (1970). “Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions.” The Astrophysical Journal, 159, 379–403.
- Clowe, D., Gonzalez, A., & Markevitch, M. (2004). “Weak-Lensing Mass Reconstruction of the Interacting Cluster 1E 0657–558: Direct Evidence for the Existence of Dark Matter.” The Astrophysical Journal, 604, 596–603.
- Blumenthal, G. R., Faber, S. M., Primack, J. R., & Rees, M. J. (1984). “Formation of Galaxies and Large-Scale Structure with Cold Dark Matter.” Nature, 311, 517–525.
- Tyson, J. A., Kochanski, G. P., & Dell’Antonio, I. P. (1998). “Detailed Mass Map of CL 0024+1654 from Strong Lensing.” The Astrophysical Journal Letters, 498, L107–L110.
- Peccei, R. D., & Quinn, H. R. (1977). “CP Conservation in the Presence of Instantons.” Physical Review Letters, 38, 1440–1443.
Papildomi šaltiniai
- Bertone, G., & Hooper, D. (2018). “A History of Dark Matter.” Reviews of Modern Physics, 90, 045002.
- Tulin, S., & Yu, H.-B. (2018). “Dark Matter Self-Interactions and Small Scale Structure.” Physics Reports, 730, 1–57.
- Peebles, P. J. E. (2017). “Dark Matter.” Proceedings of the National Academy of Sciences, 112, 12246–12248.
Tarp astronominių stebėjimų, dalelių fizikos eksperimentų ir novatoriškų teorinių sistemų mokslininkai nenutraukiamai artėja prie tamsiosios materijos esmės supratimo. Tai kelionė, kuri keičia mūsų požiūrį į Visatą ir galbūt paruoš kelią naujiems fizikos atradimams, peržengiantiems Standartinį modelį.