Mokslo ir technologijų pasaulis

Tony Rothman veda mus nuo Visatos gimimo idėjos prie bendrosios reliatyvumo teorijos ir dabartinių tyrimų „Hubble“ ir „Planck“ palydovais. Žingsnis po žingsnio aiškindamas kosmologinę raidą, autorius sąžiningai pripažįsta, kad mokslas dar daug ko nežino. Nauji atradimai ir tyrimai veikiau iškelia daugiau klausimų, nei pateikia atsakymų: pavyzdžiui, vis dar nežinia, kas yra tamsioji materija ar koks yra Visatos modelis. Būtent todėl kosmosas toks paslaptingas ir patrauklus

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.

* * *

Kitas kandidatas, akivaizdu, neutrinai. Šviesos dalelės – fotonai, perduoda elektromagnetinę sąveiką. Tuo tarpu neutrinai atsiranda iš silpnosios branduolinės sąveikos ir nėra šviesos dalelės. Be to, jų masė itin maža. Daugiau nei pusę amžiaus fizikai galvojo, kad neutrinai, kaip ir fotonai, iš viso yra bemasiai. Šis suklydimas ir pastūmėjo galvoti, kad neutrinai yra tamsiosios materijos dalis.

Nuo 1998 metų ši nuomonė darėsi vis mažiau populiari. Japonijos neutrinų observatorijoje Super Kamiokande atlikti eksperimentai parodė, kad trys neutrinų aromatai (apie juos jau kalbėjome 6 skyriuje) virsta vieni kitais osciliacijų metu [konkrečios rūšies neutrino virtimas kitos rūšies neutrinu arba antineutrinu. — Knygos redaktoriaus pastaba].

Šio osciliacijos panašios į garsus, kuriuos skleidžia šiek tiek išderintas pianinas. Lygiai kaip akustinių mušimų dažnis yra atskirų garsų dažnių skirtumas, taip ir neutrinų osciliacijos dažnis priklauso nuo skirtingų aromatų neutrinų masių skirtumo. Jeigu masės lygios nuliui, svyravimai neatsiranda.

Kadangi neutrinų osciliacijos nėra pramanas, galime tiksliai sakyti, kad neutrinai tam tikrą masę turi. Deja, neutrinai — gan baugščios dalelės, ir jų masės skaičiavimas lieka fizikų-eksperimentatorių galvasopiu. Osciliacijos eksperimentai rodo, kad neutrinų masių pasiskirstymas mažas, o tai reiškia, kad ir pati masė turi būti nykštukinė.

Tuo pat metu eksperimentai, kuriais siekiama masę išmatuoti tiesiogiai, liudija, kad neutrinų masė turi būti bent pusę milijono karto mažesnė už mažiausios žinomos dalelės, elektrono, masę. Tad, maksimali neutrino masė turi būti bent milijardą kartų mažesnė už protono ir neutrono masę. Gi remiantis Planck kosmine observatorija atliktais CMB svyravimų matavimais, neutrinų masė turi būti dar mažesnė.

Šiaip ar taip, visi matavimai sutartinai rodo, kad neutrinų masė, netgi pagal optimistiškiausią scenarijų, turi būti neįsivaizduojamai maža. O dabar prisiminkime, kad kiekvienam barionui tenka maždaug milijardas fotonų. O kadangi neutrinų yra maždaug tiek pat (panašu, kad truputėlį mažiau) kartų daugiau, nei barionų, galime sakyti, kad bendra neutrinų masė turi būti kažkokia dalis barionų masės, o tikslus dalies dydis priklauso nuo tikslios neutrinų masės. Dabar, trečiajame XXI amžiaus dešimtmetyje, ganėtinai nelengva būti kuo nors užtikrintu, ir visgi labai abejotina ar neutrinai gali sudaryti reikšmingą dalį tamsiosios materijos.

Tačiau fizikoje visada būna koks nors „tačiau“. Šiuo atveju tai yra ketvirtos neutrinų rūšies, nemutuojančios į kitas tris ir didesnės masės, egzistavimo galimybė. Tokius neutrinus įprasta vadinti steriliais. Tačiau kadangi sterilių neutrinų egzistavimas dar neįrodytas, paleiskime juos su taika.

Kelis dešimtmečius pagrindiniu kandidatu į tamsiosios materijos vaidmenį buvo ne halo-objektai, o silpnai sąveikaujančios masyvios dalelės (Weakly Interacting Massive Particles, WIMP). Kaip ir neutrinai, jos nesąveikauja elektromagnetiškai. Kitaip tariant, neskleidžia ir nesugeria šviesos, tad turi galimybių būti tamsiąja materija. Spėjama, jų masė didelė, nuo dešimčių iki tūkstančių kartų didesnė nei protonų ar neutronų, dėl ko gali sąveikauti su įprasta materija gravitaciškai ar tiesiogiai susidurdamos.

Vienintelė problema, neleidžianti WIMP pavadinti tamsiąja materija, yra tai, kad jų egzistavimas kol kas hipotetiškas. Silpnai sąveikaujančių masyvių dalelių paieškos trunka jau daugiau, nei dvidešimt metų. WIMP detektoriai dažniausiai yra kriogeninėje kameroje esančio baliono su argonu ar ksenonu. Manoma, kad su ksenono atomu susidūrusi WIMP turėtų sukelti šviesos žybsnį, kurį užfiksuotų balione esantys jutikliai.

Toks būdas turi du sunkumus.

Visų pirma, WIMP nėra vienintelė su jutikliu galinti susidurti dalelė — lygiai taip pat sėkmingai žybsnį sukeltų kosminis spinduliavimas ar kokio nors radioaktyvaus elemento skilimo dalelė. Siekiant išvengti „klaidingų suveikimų“, WIMP jutikliai visuomet statomi giliai po žeme (dažniausiai, senose kasyklose), taip atsitveriant nuo nepageidaujamo fono. Antrasis sunkumas: iš tiesų niekas nežino, būtent ko konkrečiai šie detektoriai ieško, dėl to sunku suprasti, kaip teisingai organizuoti eksperimentą.

Daugelis aksionus laiko paskutine tamsiosios materijos egzistavimo viltimi. Aksioną aštuntajame dešimtmetyje atrado elementariųjų dalelių tyrimais užsiimantys fizikai, o pavadintas buvo skalbimo miltelių garbei. Jo egzistavimas turėjo paaiškinti nevienareikšmius stipriosios branduolinės sąveikos aspektus — o svarbiausia, atsakyti į klausimą, kodėl neutronas tolygiai neutralus, nors sudėtinės jo dalys, kvarkai, krūvį turi.

Manoma, kad aksionas — ekstremaliai lengva dalelė, kurios masė mažesnė netgi už neutrino, nors pagal kai kuriuos ankstyvosios Visatos vystymosi scenarijus, tuo periodu susidariusių aksionų turėjo visiškai pakakti sudaryti būtiną tamsiosios materijos kiekį. Šie scenarijai kol kas itin spekuliatyvūs, ir kadangi viskas, ką galėčiau apie juos paskelbti, labai tikėtina, gali pasirodyti netiesa, tiesiog palikime juos ramybėje.

* * *

Kai tiek nesėkmių ir nepatvirtintų spėlionių, būtų keista nesvajoti apie kokią nors alternatyvią teoriją, iš viso atmetančią tamsiosios materijos egzistavimo būtinybę. Nebvejokite: ne mažiau nei tuzinas kosmologų iš viso atmeta tamsiosios materijos idėją, tvirtindami, kad reikia pakeisti Niutono visuotinės traukos dėsnį.Galaktikų pakraščiuose gravitacija atrodo pernelyg silpna, kad išlaikytų žvaigždes orbitose. Kol kas niekas netikrino, kaip tokoiu atstumu veikia Niutono traukos dėsniai, tad, kodėl gi netarus, kad jis ten galingesnis? Tokia hipotezė žinoma kaip modifikuota niutoniška dinamika (MOND, Modified Newtonian Dynamics).

Jeigu norime perrašyti Niutono gravitacijos dėsnį, kad jis atitiktų žvaigždžių elgesį galaktikų pakraščiuose, tai mums teks į teoriją įvesti kažkokį atstumą, už kurio gravitacija tampa stipresnė, nei manė Niutonas. Tai prilygtų pridėjimui į lygtis naujos konstantos — nuolatinio dydžio, tokios, kaip šviesos greitis ar elektrono masė, o su tokioms naujovėms fizikai taikosi itin nenoriai. Be to, kadangi Niutono dėsnis yra nuolatinis bendrosios reliatyvumo teorijos ribotuvas, bet kokia MOND teorija pareikalaus ir reliatyvumo teorijos modifikavimo.

Tokius pokyčius jau bandyta atlikti, tačiau kol kas visi jie blogai dera su stebėjimais. Bendrai reikia pripažinti, kad dauguma kosmologų į MAND žiūri dar skeptiškiau, nei į tamsiąją materiją.

* * *

Galbūt manote, kad šis skyrius pašvęstas veikiau dalelėms, o ne kosmologijai. Tačiau tai ir esmė! Moksliškai įrodyta, kad Visatoje vyksta nuostabūs reiškiniai, o tai reiškia, dabar nebegalime kalbėti apie kosmologiją, užmerkę akis į elementariųjų dalelių fiziką. Bendroji reliatyvumo teorija, branduolinė fizika, elementariųjų dalelių fizika ir kitos svarbios disciplinos susipynė tam, kad sukurtų mums žinomos Visatos vaizdą, ir dabar mes nebegalime ignoruoti jo sudedamųjų dalių sudėtingų ryšių.

Reikia suprasti, kad bet kokia naujovė fizikos pasaulyje ginčys 400 metų eksperimentų ir stebėjimų, o gamta neišvengiamai pasirodys protingesnė už mus.

republic.ru

Tony Rothman — fizikas-teoretikas, kosmologas, rašytojas ir mokslo žurnalistas (Scientific American, Discover, American Scientist, etc.), dėsto Harvardo ir Princetone'o universitetuose.
'A Little Book about the Big Bang', by Tony Rothman (Harvard University Press, 2022)
Маленькая книга о Большом взрыве