„Galite paaiškinti, kas yra tamsioji materija?“ „Ne“

Kosmologų gan dažnai klausia: „Jūs galite paaiškinti, kas yra tamsioji materija?“ Tokiu atveju atsakymas turėtų būti vienareikšmis „Ne“.

Čia skyrius galėtų baigtis.

Ir visgi pabandysime šiek tiek įsigilinti į klausimą. Sekdami vienu iš pramanytų Einšteino priesakų, fizikai stengiasi „supaprastinti viską tiek, kiek tik įmanoma, bet ne daugiau“; jų užduotis — suprasti gamtą ir įmanomai paprasčiau paaiškinti stebimus reiškinius. Tačiau gamta ne tokia paprasta, kaip atrodo. Kuo daugiau vieną ar kitą reiškinį stebime, tuo sudėtingesnis jis pasirodo esąs, o tai reiškia, kad jam paaiškinti reikia atitinkamai vis sudėtingesnių modelių ir teorijų. Gi fizikai, kitaip nei, tarkime, ekonomistai, nemėgsta be reikalo apsunkinti įvykių vaizdą.

Po to, kai 1965 metais buvo pripažinta Didžiojo sprogimo teorija, Friedmanno vienalytės Visatos modelis tapo standartiniu kosmologiniu modeliu. Tačiau po to, kai COBE palydovu buvo aptiktos kosminio mikrobangų fono pulsacijos, standartinis Visatos modelis buvo peržiūrėtas — šį kartą atsižvelgiant į galaktikas, o taip pat jų spiečius ir superspiečius, kurių egzistavimas tuo metu jau buvo neginčijamas.

Prieš imdamiesi kritikuoti naują standartinį Visatos modelį (užsiimsime tuo 9 ir 10 skyriuje), pirmiausia išsiaiškinkime reiškinius, kuriuo jis pagrįstas, — tamsiąją materiją ir tamsiąją energiją. Atsižvelgiant į tai, kad mūsų įsivaizdavimas apie juos kardinaliai keičiasi maždaug kas savaitę, atitinkamą informaciją derėtų vertinti atsargiai: perskaitę 𝑁𝑒𝑤 𝑌𝑜𝑟𝑘 𝑇𝑖𝑚𝑒𝑠 naujieną apie kokį nors atradimą, neskubėkite ja tikėti, kol neišgirsite realių ekspertų nuomonės.

* * *

Palydovai sukasi aplink Žemę dėl to, kad gravitacija iškreipia jų trajektorijas, ir paverčia uždaru žiedu, kliudydama jų natūraliam siekiui skrieti iš inercijos tolyn į kosmosą. O kadangi gravitacijos jėga, kuriai paklūsta palydovai, priklauso nuo Žemės masės, nuo jos priklauso ir palydovo judėjimo orbita greitis. Tad, kuo greičiau lekia palydovas, tuo didesnė turi būti Žemės masė, kad išlaikytų jį orbitoje. Tas pats principas pritaikytinas ir planetoms — Saulės palydovams, O taip pat žvaigždėms, judančioms orbita apie galaktikos centrą.

Per pastaruosius 150 metų klausimas apie neregimos materijos egzistavimą buvo keliamas ne kartą. Ketvirtajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje astronomas Fritzas Zwicky'is pastebėjo, kad spiečių viduje galaktikos juda pernelyg greitai, kad tai būtų galima paaiškinti bendra šviesą skleidžiančios materijos, t. y. spiečiaus žvaigždžių, mase. Stengdamasis šiuos greičius paaiškinti, jis ir iškėlė tamsiosios materijos egzistavimo idėją. Dabar tamsioji materija nagrinėjama kaip šviesos nespinduliuojanti materija. Kitu 40 metų Zwicky'io spėlionių niekas rimtai nevertino. Situacija pasikeitė, kai Vera Rubin pastebėjo, kad ne tik spiečiuose, bet ir pačių galaktikų ribose žvaigždžių greičiai pernelyg dideli, kad juos būtų galima paaiškinti tų galaktikų šviečiančios materijos poveikiu. Žodžiu, atrodė, kad galaktikos pakraštyje esančios žvaigždės turėtų palikti orbitas ir nuskrieti tarpgalaktinėn erdvėn.

Rubin ir jos komandos skaičiavimai buvo gan vienareikšmiai. Aplink galaktikų centrus skriejančių žvaigždžių greitį gan paprasta nustatyti pagal Doplerio efektą. Dabar jau atlikti tūkstančių galaktikų ir spiečių matavimai,ir visų matavimų rezultatai perša vieną ir tą pačią išvadą: didelė dalis galaktikų masės neregima. Negana to, apie 85 ％ materijos Visatoje yra būtent tamsioji materija.

Tai geležinė tiesa, o todėl klausimas, kas gi yra toji tamsioji materija, visiškai logiškas. Tačiau toks pat dėsningas ir vienintelis teisingas atsakymas: mes nežinome. Gal koks pardavimų vadybininkas at politikas atsakys kaip nors kitaip, tačiau mokslininkas pasakys būtent taip.

Bet koks šviesos nespinduliuojantis kūnas gali būti tamsiąja materija. Kandidatų į šį vaidmenį tiek daug, kad tokios mažutės knygelės kaip ši, tiesiog nepakaks papasakoti apie juos visus (iš tiesų negalėsime apsvarstyti netgi kelių, juk visos įmanomos kandidatūros buvo tiesiog atsijotos).

* * *

Natūralūs pretendentai į tamsiosios materijos vaidmenį yra juodosios bedugnės ir artimos jų giminaitės — neutroninės žvaigždės: ir vienos ir kitos pagal apibrėžimą negali būti šviesos šaltiniais. Prie jų tikriausiai galima priskirti ir vadinamus rudąsias nykštukes. Tai savotiškos taip ir neįsižiebusios žvaigždės, kurių masė kelias dešimtis kartų didesnė nei Jupiterio. Rudosios nykštukės skleidžia blankią šviesą, nes jų masės visgi nepakanka pradėti termobranduolinę reakciją. Pats Jupiteris, tiksliau, daugybė Jupiterių gali būti kandidatais į tamsiosios materijos vaidmenį. Astronomai tokius bendrai vadina masyviais astrofizikiniais kompaktiškais halo objektais (Massive Astrophysical Compact Halo Objects, MACHOs). Deja, praktiškai visiems jiems tamsiosios materijos pareigas suteikti atsisakyta — ir tam buvo svarios priežastys.

Kap jau buvo minėta 3 skyriuje, pagal bendrąją reliatyvumo teoriją, masyvūs kūnai atspindi šviesą. Tai reiškia, kad žvaigždę, juodąją bedugnę ar galaktiką gaubianti šviesa nukrypsta nuo savo pirminio kelio, — tai primena per stiklo linzę einančios šviesos lūžimas. Taip gravitacinis lęšiavimas iškreipia už gravitacinio lęšio esančio objekto atvaizdą ir objektas atrodo keičiantis padėtį. Dabar gravitacinis lęšiavimas yra gerai išnagrinėtas reiškinys: panaudojant jį, tapo įmanoma kosminiu teleskopu „Hubble“ ir kitais šiuolaikiniais teleskopais padaryti daugybę įspūdingų nuotraukų.

Kadangi Paukščių Takas nuolat sukasi, halo-objektai galaktikos ribose sukasi drauge su ja. Jeigu kokio nors ne galaktikoje esančio šaltinio, tokio, kaip itin ryški žvaigždė, šviesa praeis netoli nuo halo-objekto (kuris šiuo atveju veiks kaip gravitacinis lęšis), pašalinis stebėtojas pastebės lengvą šviesą skleidžiančios šviesos virpėjimą, kurį lems prieš ją esančio halo-objekto judėjimas. Tačiau statistiniais daugybės Paukščių Tako ir Magelano Debesų žvaigždžių tyrimais mokslininkams taip ir nepavyko rasti įtikimų halo-objektų sukeliamo gravitacinio lęšiavimo įrodymų.

Konkretesnė priežastis dėl kurios halo-objektai negali būti tamsiąja materija, — pirminė nukleosintezė. Kad ir kas iš tiesų bebūtų halo-objektai, jie sudaryti iš įprastos, barioninės materijos, kuri, tikėtina, egzistavo dar nukleosintezės periodu. Didėjant barionų tankiui, turėjo padaugėti branduolinių reakcijų, o kadangi nukleosintezės periodu helį kūrė būtent branduolinės reakcijos, jo turėjo tapti daugiau.

Tuo pat metu astronomų fiksuojamas helio kiekis buvo sukurtas, esant barionų tankiui, kuris atitinka Visatos šviečiančios materijos kiekį. Jeigu tamsiosios materijos Visatoje iš tiesų 5 ar 6 kartus daugiau, nei įprastos, ji tiesiog negali būti iš barionų, juk tokiu atveju po Didžiojo sprogimo atsiradusio helio turėtų būti daug mažiau. Tai puikus pavyzdys, kaip įvairūs mokslo teorijos aspektai vienas kitą patvirtina. Be to, detali reliktinio spinduliavimo, CMBR (išnagrinėsime jį 10 skyriuje), pulsacijų analizė, reikalauja, kad tamsiosios materijos ir barionų santykis išliko toks pat, kaip nukleosintezės periodu. Kad ir iš ko iš tiesų būtų sudaryta tamsioji materija, tai tiksliai nėra tas, iš ko sudaryti mes.

* * *