Įrodymai iš galaktinių sukimosi kreivių, gravitacinio lęšiavimo, WIMP, aksonų teorijų, holografinių interpretacijų ir netgi ekstremalių simuliacijos idėjų
Nematomas Visatos „karkasas“
Stebint žvaigždes galaktikoje ar matuojant regimos medžiagos ryškumą, paaiškėja, kad ši matoma dalis tesudaro tik nedidelę tos galaktikos gravitacinės masės dalį. Pradedant spiralinėmis sukimosi kreivėmis ir spiečių susidūrimais (pvz., Kulko spiečius) bei baigiant kosminės mikrobangės fono (KMF) anisotropijomis ir stambiųjų struktūrų tyrimais, visi duomenys rodo, kad egzistuoja tamsioji materija (TM), kuri maždaug penkis kartus viršija matomąją masę. Nematomosios medžiagos negalime lengvai aptikti elektromagnetiškai (nei spinduliuojant, nei sugeriant šviesą), jos buvimą išduoda tik gravitacinis poveikis.
Standartiniame (ΛCDM) kosmologijos modelyje tamsioji materija sudaro apie 85 % visos materijos, lemiamai veikia kosminį tinklą bei stabilizuoja galaktikų sandarą. Dešimtmečius vyraujanti teorija remiasi naujomis dalelėmis (WIMP, aksonais) kaip svarbiausiais kandidatais, tačiau tiesioginės paieškos kol kas nedavė galutinio patvirtinimo, todėl kai kurie mokslininkai ieško alternatyvių kelių: modifikuotos gravitacijos ar netgi labiau radikalių framework'ų. Kai kurie siūlo, kad TM gali būti emergentinė ar holografinė kilmė, o kiti, dar toliau, netgi kalba, kad galbūt gyvename simuliacijoje ar kosminio eksperimento aplinkoje, kur „tamsioji materija“ – tik būsimumo rezultatas. Visos šios kraštutinės hipotezės, nors tolimos nuo pagrindinės krypties, rodo, kaip nebaigta yra TM problema ir skatina atvirumą naujoms idėjoms, siekiant galutinės kosminės tiesos.
2. Gausūs tamsiosios materijos įrodymai
2.1 Galaktinės sukimosi kreivės
Vienas iš ankstyvųjų tiesioginių tamsiosios materijos indikatorių – tai spiralinių galaktikų sukimosi kreivės. Niutono dėsnių logika reikalautų, kad toli nuo galaktikos centro žvaigždžių orbitinis greitis v(r) ∝ 1/√r mažėtų, jei didžioji dalis masės yra žvaigždžių diske. Tačiau Vera Rubin su kolegomis XX a. 8-ajame dešimtmetyje parodė, kad išorinės sritys sukasi beveik pastoviu greičiu, kas rodo milžinišką nematomą halą, daug kartų masyvesnį už regimų žvaigždžių bei dujų masę [1,2].
2.2 Gravitacinis lęšiavimas ir Kulko spiečius
Gravitacinis lęšiavimas – šviesos užlinkimas masyvių objektų sukurtoje erdvėlaikio kreivėje – teikia kitą patikimą masės matą, nesvarbu, ar ji spinduliuoja, ar ne. Stebint galaktikų spiečius, ypač garsųjį Kulko (Bullet) spiečių (1E 0657–56), matyti, kad pagal lęšiavimą apskaičiuota bendra masė nesutampa su ryškių dujų pasiskirstymu (kur susitelkusi didžioji barioninė masė). Tai rodo, jog susidūrus spiečiams, tamsioji materija „praėjo kiaurai“, nesąveikaudama ar nesumažėjusi, tuo tarpu dujos susidūrė ir sulėtėjo. Toks ryškus pavyzdys nepaaiškinamas vien baryonais ar paprasta gravitacijos pataisa [3].
2.3 Kosminės mikrobangės fono ir stambiųjų struktūrų argumentai
Kosminio mikrobangės fono (KMF) duomenys (COBE, WMAP, Planck ir kt.) atskleidžia temperatūros spektrą su akustinėmis smailėmis. Joms tinkamiausia, kad barioninė medžiaga tesudaro nedidelę dalį visos materijos, o ~85 % – nebarioninė tamsioji medžiaga. Tuo tarpu stambiųjų struktūrų formavimuisi reikia šalčio (beveik nesąveikaujančios) TM, kuri anksti ėmė telktis gravitacinėse duobėse, pritraukdama barionus ir formuodama galaktikas. Be tokio DM komponento galaktikos nebūtų susiformavusios taip anksti ir tokia tvarka, kokią matome.
3. Vyraujančios dalelių teorijos: WIMP ir aksonai
3.1 WIMP (silpnai sąveikaujanti masyvi dalelė)
Daugelį metų WIMP buvo pagrindinis TM kandidatas. Masės ~GeV–TeV lygyje ir turėdamos (silpnas) sąveikas, jos natūraliai duotų likutinę (relinę) gausą, artimą stebimai TM masei, vadinamą „WIMP stebuklu“. Tačiau tiesioginiai matavimai (XENON, LZ, PandaX ir kt.) bei greitintuvų (LHC) tyrimai smarkiai apribojo paprastus WIMP modelius, nes nerasta jokių aiškių signalų [4,5]. Nepaisant to, WIMP hipotezė dar nenurašyta, bet tapo gerokai mažiau tikėtina.
3.2 Aksonai
Aksonai siūlomi kaip Peccei–Quinn mechanizmo (spręsti stipriąjai CP problemai) dalis, tikėtasi, kad jie bus labai lengvi (< meV) pseudoskaliarai. Jie gali sudaryti kosminį Bose–Einšteino kondensatą, veikdami kaip „šalta“ TM. Tokie eksperimentai, kaip ADMX ar HAYSTAC, ieško aksonų–fotonų virtimų rezonansinėse ertmėse stipriame magnetiniame lauke. Kol kas nerasta lemiamų rezultatų, bet dar daug masių diapazonų neištirta. Aksonai taip pat gali paveikti žvaigždžių vėsimą, duodant papildomus apribojimus. „Puriosios TM“ (fuzzy DM) variantai padeda spręsti mažų mastų struktūros keistumus, įvesdami kvantinį spaudimą haluose.
3.3 Kiti kandidatų spektras
Sterilūs neutrinai (kaip „šilta“ TM), tamsūs fotonai, veidrodiniai pasauliai ar įvairūs „slapti sektoriai“ taip pat svarstomi. Kiekvienas turi atitikti relinės gausos reikalavimus, struktūrų formavimąsi, tiesioginius/neteisinius matavimus. Nors WIMP ir aksonai vyrauja, šios „egzotinės“ idėjos rodo, kiek fantazijos reikia naujai fizikai, siekiant sujungti Standartinį modelį su „tamsiu sektoriumi“.
4. Holografinė Visata ir „tamsiosios materijos kaip projekcijos“ idėja
4.1 Holografinis principas
1990 m. Gerardas ’t Hooft ir Leonardas Susskindas iškėlė holografinį principą, kad erdvės laisvės laipsniai volume‘e gali būti užkoduoti žemesnio matmens paviršiuje, panašiai kaip 3D objekto informacija telpa 2D plokštumoje. Kai kuriose kvantinės gravitacijos paradigmose (AdS/CFT) gravitacinis „gyslas“ atvaizduojamas ribinio CFT. Vieni tai aiškina, kad „vidaus tikrovė“ susiformuoja iš išorės duomenų [6].
4.2 Ar tamsioji materija atsiranda iš holografinių efektų?
Standartinėje kosmologijoje tamsioji materija suvokiama kaip substancija su gravitaciniu poveikiu. Visgi egzistuoja spekuliatyvi mintis, kad matoma „paslėpta masė“ gali būti kokių nors „informacinių“ holografinių savybių pasekmė. Šiose teorijose:
- Matuojame „tamsios masės“ padarinius sukimosi kreivėse ar lęšiavime, kurie galbūt iškyla dėl iš informacijos kylančios geometrijos.
- Kai kurie, pvz., Verlindės emergentinė gravitacija, bando paaiškinti tamsiąją materiją pakeisdami gravitacinius dėmenis dideliais mastais, remdamiesi entropiniais ir holografiniais samprotavimais.
Toks „holografinės TM“ aiškinimas dar nėra toks išsamus kaip ΛCDM, ir jam sunkiau tiksliai pakartoti spiečių lęšiavimo ar kosminių struktūrų duomenis. Kol kas tai lieka teorinių darbų laukas, derinantis kvantinės gravitacijos ir kosminės plėtros koncepcijas. Gali būti, kad ateities proveržiai šias idėjas sujungs su įprasta TM teorija, o gal parodys jų nesuderinamumą.
4.3 Gal esame „kosminė projekcija“?
Dar labiau ekstremali mintis: visas mūsų pasaulis yra „simuliacija“ ar „projekcija“, kur tamsioji materija – tarsi šalutinis kodavimo/atvaizdavimo padarinys. Tokia hipotezė priartėja prie filosofijos (panašiai kaip simuliacijos idėja). Kol kas nematome testuojamų mechanizmų, kurie paaiškintų TM struktūrą lygiai taip, kaip standartinė kosmologija. Tačiau ji primena, kad kol neturime galutinio atsakymo, praverčia mąstyti plačiau.
5. Ar mes esame dirbtinė simuliacija ar eksperimentas?
5.1 Simuliacijos argumentas
Filosofai ir technologų entuziastai (pvz., Nick Bostrom) siūlo, kad labai pažangios civilizacijos galėtų paleisti masyvius visatos ar visuomenės simuliacijų projektus. Jei taip, mes, žmonės, galime būti virtualūs veikėjai kompiuteryje. Tokiu atveju tamsioji materija galbūt „sukodinta“ kaip tam tikras gravitacijos pagrindas galaktikoms. Gal kūrėjai tyčia sukūrė tokį TM pasiskirstymą, kad suformuotų įdomias struktūras ar sąlygas gyvybei.
5.2 Galaktinis mokyklinis eksperimentas?
Galėtume įsivaizduoti, kad esame laboratorinis bandymas kokių nors ateivių vaiko kosmoso pamokoje, kur mokytojo vadovėlyje parašyta: „Sukurkite galaktikų stabilumą, pridedant nematomą halą“. Tai labai hipotezinė ir netestuojama mintis, peržengianti mokslinę ribą. Ji rodo, kad jei tamsioji materija iki šiol nepaaiškinta, galima (labai spekuliatyviai) įtraukti ir tokias „dirbtines“ perspektyvas.
5.3 Paslapties ir kūrybos sinergija
Nėra jokių stebėjimų, įrodančių šiuos scenarijus, bet jie parodo, kaip toli galima nukrypti, jei TSM lieka neaptikta. Iš to suprantame, kad kol kas tamsioji materija yra labiau materialus dalykas mūsų fizikos rėmuose. Bet pripažinkime, įsivaizduojamieji modeliai apie simuliacijas ar „dirbtinę“ TM skatina vaizduotę ir saugo nuo sustabarėjimo viename teorijos rėme.
6. Modifikuota gravitacija vs. tikroji tamsioji materija
Nors vyrauja požiūris, kad tamsioji materija – tai nauja medžiaga, kita teorinė srovė akcentuoja modifikuotą gravitaciją (MOND, TeVeS, emergentinę gravitaciją ir kt.). Kulko spiečius, branduolio sintezės rodikliai ir KMF duomenys yra stiprūs argumentai už realios tamsiosios materijos egzistavimą, nors dalis MOND plėtinių bando šiuos iššūkius apeiti. Iki šiol ΛCDM su DM išlieka labiau suderintas skirtingais mastais.
7. Tamsiosios materijos paieškos: dabartis ir artėjantis dešimtmetis
7.1 Tiesioginė detekcija
- XENONnT, LZ, PandaX: Kelių tonų ksenono detektoriai siekia fiksuoti WIMP-nukleonų sąveiką maždaug iki 10-46 cm2 ribų.
- SuperCDMS, EDELWEISS: Kriogeniniai puslaidininkiai (geriau žemoms WIMP masėms).
- Aksonų „haloskopai“ (ADMX, HAYSTAC) ieško aksonų-fotonų sąveikos rezonatoriuose.
7.2 Netiesioginė detekcija
- Gama teleskopai (Fermi-LAT, H.E.S.S., CTA) ieško anihiliacijos pėdsakų Galaktikos centre, nykštukinėse galaktikose.
- Kosminių spindulių tyrimai (AMS-02) žvalgosi didesnių positronų, antiprotonų kiekių iš TM.
- Neutrinų detektoriai gali aptikti neutrinus, jei TM kaupiasi Saulės ar Žemės branduoliuose.
7.3 Greitintuvų tyrimai
LHC (CERN) ir kiti ateities greitintuvai ieško įvykių su prarasta skersine energija („monojetų“ signalai) ar naujų dalelių, kurios galėtų būti TM tarpinės. Nėra jokių aiškių įrodymų, bet artėjantys LHC atnaujinimai ir galimi 100 TeV greitintuvai (FCC) gali išplėsti tyrimų diapazoną.
8. Atviras požiūris: standartiniai modeliai + spekuliacijos
Kol kas tiesioginės/nematomos paieškos nedavė neabejotino rezultato, todėl ekspertai lieka atviri įvairioms galimybėms:
- Klasikiniai TM modeliai: WIMP, aksonai, sterilūs neutrinai ir kt.
- Modifikuota gravitacija: emergentinė gravitacija, MOND variacijos.
- Holografinė Visata: galbūt TM reiškiniai – tai tam tikri ribinių laipsnių laisvės projekcijos.
- Simuliacijos hipotezė: galbūt kosminė tikrovė – tai pažangios civilizacijos simuliacija, o „tamsioji materija“ – kodo produktas.
- Ateivių vaikų mokslinis eksperimentas: absurdiškas, bet parodo, kad neįrodyti dalykai gali būti suvokti įvairiai.
Dauguma mokslininkų visgi labiau remiasi realaus TM egzistavimu, bet kraštutinis nežinojimas gimdo įvairius konceptualius bandymus, kurie padeda išlaikyti kūrybiškumą, kol gauname galutinį atsakymą.
9. Išvada
Tamsioji materija yra didžiulė mįslė: gausūs stebėjimai nepalieka abejonių, kad egzistuoja svarbi masės komponentė, nepaaiškinama vien regima medžiaga ar baryonais. Dauguma teorijų remiasi dalelinėmis TM prigimtimis – WIMP, aksonais ar slaptu sektoriumi – ir tai tikrinama detektoriuose, kosminėse spinduliuotėse bei greitintuvuose. Kadangi kol kas nėra jokių galutinių įrodymų, modelių erdvė plečiasi, o instrumentai tampa vis tobulesni.
Tuo pat metu yra radikalių minčių – holografinės, „emergentinės“ ar net simuliacijos scenarijai –, kurie rodo, kad TM gali būti dar labiau gluminantis ar atsirasti iš gilesnės erdvėlaikio ar informacijos prigimties. Galbūt vieną dieną ypatingas atradimas – nauja dalelė ar kokia stulbinanti gravitacijos pataisa – viską išspręs. Kol kas tamsiosios materijos tapatybė yra pamatinis astrofizikos ir dalelių fizikos iššūkis. Nesvarbu, ar atrasime fundamentalią dalelę, ar ko nors radikalaus apie erdvės ir laiko sandarą, kelias į šios „paslėptos masės“ paslaptį ir į atsakymą, koks mūsų vaidmuo galaktiniame audinyje (tikrame ar menamame), išlieka atviras.
Nuorodos ir tolesnis skaitymas
- 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.
- Bosma, A. (1981). “21-cm line studies of spiral galaxies. I. The rotation curves of nine galaxies.” Astronomy & Astrophysics, 93, 106–112.
- Clowe, D., et al. (2006). “A direct empirical proof of the existence of dark matter.” The Astrophysical Journal Letters, 648, L109–L113.
- Bertone, G., Hooper, D., & Silk, J. (2005). “Particle dark matter: Evidence, candidates and constraints.” Physics Reports, 405, 279–390.
- Feng, J. L. (2010). “Dark Matter Candidates from Particle Physics and Methods of Detection.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 48, 495–545.
- Susskind, L. (1995). “The world as a hologram.” Journal of Mathematical Physics, 36, 6377–6396.