Paslaptingoji Visata - neįveikiama užduotis ne tik ją pažinti, bet ir stebėti

Tamsioji materija

7-ajame praeito amžiaus dešimtmetį, tobulėjant kosminių kūnų stebėjimo metodams, pastebėta, kad tikrasis tolimų galaktikų judėjimas toli gražu neatitinka teorinių dėsnių. Stebimų galaktikų masės nepakanka, kad jų sukurtas gravitacinis traukos laukas išlaikytų šiuos dangaus kūnus pusiausvyroje ir neleistų galaktikų žvaigždėms išsilakstyti į šalis milžiniškais greičiais. Ta hipotetinė jėga, kompensuojanti gravitacinės jėgos trūkumą ir išlaikanti stabilias galaktikas buvo priskirta tamsiąjai medžiagai. Be jos sukuriamo traukos lauko, nėra jokio kito būdo tamsiajai medžiagai pastebėti. Tamsioji medžiaga sudaryta iš dalelių, kurios prasprunda pro mūsų akis, jų neregistruoja nei radijo bangų, nei trumpųjų bangų, nei infraraudonųjų, nei ultravioletinių, nei gama spindulių teleskopai.

Mokslinis požiūris.

Kam reikalinga tamsiosioji materija? Pagal teoriją Visata gali būti arba uždara, arba atvira. Kad Visata būtų vienokia ar kitokia, reikalingas tam tikras medžiagos kiekis, kurį pavadinkime M. Mes galime nustatyti barioninės masės kiekį, nagrinėdami Didžiojo Sprogimo teoriją. Tai padaroma sujungiant stebėjimus ir teoriją, t.y. iš stebėjimų gaunamas He/H santykis šiandieninėje Visatoje ir lyginamas su teorine barioninės masės verte, kuri apskaičiuota ankstyvajai karštajai Didžiojo Sprogimo fazei, kada buvo pagaminta didžioji helio dalis. Kada Visatos temperatūra nukrito, neutronai pradėjo skilti į protonus. Jei ankstyvasis barionų tankis buvo mažas, protonui buvo sunku surasti neutroną ir su juo sudaryti helio branduolį anksčiau nei visi neutronai suskils. Taigi matuodami He/H santykį šiandieną, mes galime nustatyti buvusi barionų tankį tuoj po Didžiojo Sprogimo ir visų barionų masę šiandien. Pasirodo, kad tik 0.05 M visos Visatos barioninės masės sudaro barioninė, arba šviečiančioji masė. Pagal optimistiškiausius įvertinimus su savo teleskopais mes galime matyti 0.001 M. Kur tuomet yra kiti 99 procentai Visatos? Kadangi nežinome, sakome, kad tai Tamsioji Materija.

Loginis požiūris

Tiems, kurie nepasitiki Didžiojo Sprogimo teorija ir tiems kuriems nepatinka visokie fantastiniai išvedžiojimai, kurių negalima patikrinti praktiškai, egzistuoja kitas tamsiosios materijos egzistavimo įrodymas. Galaktikų spiečių judėjimo tyrimas parodė, kad atskiri spiečiaus nariai juda taip lyg spiečiuje būtų 5–10 kartų daugiau masės, nei yra šviečiančioje masėje. Stebint žvaigždžių judėjimą atskirose galaktikose pasirodo, kad galaktikos pakraščiuose esančios žvaigždės sukasi daug greičiau nei derėtų tokios masės galaktikos žvaigždėms. Vėl trūksta maždaug 5 kartus didesnės masės, nei gaunama pagal stebimą elektromagnetinį spinduliavimą. Tokie rezultatai parodo, kad tiek galaktikų spiečiai, tiek atskiros galaktikos yra apsuptos tamsiosios materijos sferoidu. Kas galėtų būti ta tamsioji materija? Tai dar neatsakytas klausimas. Yra daug mokslininkų, kurie sprendžia šią problemą ir tiek pat daug spėlionių. Pateiksime tris galimus atsakymus:

1. Materija, kuri nespinduliuoja (tamsios galaktikos, rudosios nykštukės, planetinė medžiaga).

2. Masyvūs neutrinai. Jei neutrinai turi masę, tuomet tai galėtų būti atsakymas. Tačiau jei jie yra per daug masyvūs, atsiranda dar daugiau problemų.

3. Visa kita egzotika. Į šią kategoriją įeina visos egzotiškos elementariosios dalelės. Jų savybės yra nustatomos teoriškai ir jei jos iš tiesų egzistuoja, tuomet galėtų padėti išspręsti tamsiosios materijos problemą.

Tamsiosios medžiagos paslaptis jau antrą dešimtmetį bando įminti viso pasaulio mokslininkai. Juk tamsiosios medžiagos tikriausiai pilna visur, net mūsų Saulės sistemoje. Nematomas tamsios medžiagos vainikas supa ir mūsų Galaktiką. Ištisi galaktikų spiečiai skendi šioje substancijoje. Hablo teleskopu gauti duomenys rodo, kad tamsioji medžiaga koncentruojasi ten, kur ir “normali” šviečiančioji. Tikriausiai, tamsioji medžiaga ir juda panašiai kaip žvaigždės ir ūkai. Per milijonus metų aplink galaktikas susispietė tūkstančiai nematomų debesų, kurių kiekvieno masė prilygsta milijonams Saulės masių. Tačiau iki šiol niekas nežino, iš ko gi jie sudaryti.

Dar viena paslaptis - tamsioji energija

Tamsioji medžiaga tik viena iš neįmintų Visatos paslapčių. Astronomams taip pat nepavyksta paaiškinti, kodėl Visatos plėtimasis, praėjus 13 mlrd metų po Didžiojo sprogimo vis dar greitėja. Tai – viena garsiausių ir kebliausių fizikos problemų. 1998 metais astronomai išsiaiškino, kad Visata plečiasi nuolat didėjančiu greičiu. Tai – efektas, kurio priežasties mokslininkai ieško iki šiol. Iki atrandant, kad plėtimasis greitėja, visi manė, kad jis po Didžiojo sprogimo lėtėja. „Teoretikai vis dar blaškosi ieškodami protingo paaiškinimo. Tikimės, kad būsimi supernovų, galaktikų spiečių ir kitų kosminių objektų stebėjimai pateiks daugiau reikalingų žinių“, - sakė Mičigano universiteto (JAV) kosmologė Katherine Freese.

Atrodo, kad regimosios ir tamsiosios medžiagos masės sukuriamo traukos lauko turėtų pakakti bent jau plėtimuisi pristabdyti. Bandydami paaiškinti šią mįslę, paslaptingąją energiją, reikalingą Visatos plėtimosi pagreičiui išlaikyti, astronomai tam tikrą tuščios erdvės savybę pavadino tamsiąja energija. Tačiau bet kokie bandymai tą energiją aptikti, eksperimentiškai įrodyti jos egzistavimą, baigėsi nesėkmingai. Taip pat yra tikimybė, kad A.Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją taikant patiems didžiausiems Visatos objektams ją reikia pataisyti. „Klausimas vis dar atviras“, - sakė K.Freese.

Skirtingai nuo medžiagos, tamsioji energija apskritai nėra sudaryta iš dalelių, jos prigimtis dar paslaptingesnė. Taigi, konstruojant visatos modelį pasirėmus šiuolaikiniais stebėjimais, gautųsi kraupus vaizdas – visos kosmose esančios žvaigždės, ūkai, juodosios skylės, galaktikos (t.y. normali iš atomų sudaryta medžiaga) tesudaro vos 4 proc. Visatos masės. 23 proc. tenka tamsiajai medžiagai ir net 73 proc. – tamsiajai energijai!

Astrofizikai, stebėdami tolimas visatos galaktikas, nutolusias milijardus šviesmečių nuo žemės, per pastaruosius metus aptiko nemažai tamsiosios energijos egzistavimo įrodymų. Tarptautinė mokslininkų grupė pasinaudojo Hubble teleskopo duomenimis, norėdama aptikti tamsiosios energijos pėdsakų mūsų galaktikos ribose.

Pagal gautus duomenis superkompiuteris pateikė tokį Visatos vaizdą: milijardai galaktikų, tarsi iškilusios salos tamsiosios energijos vandenyne, pasakė Fabio Governato, Vašingtono universiteto profesorius.

1929 metais astronomas Edwin Hubble įrodė, kad galaktikos tolsta viena nuo kitos, o tai patvirtino Didžiojo sprogimo teoriją, tačiau 1999 m kosmologai pateikė ir kitą teoriją, kuri paaiškino kodėl galaktikų greitis vis didėja – pagal šią teoriją tai lemia tamsiosios energijos jėgos.

1997 metais Fabio Governato sukūrė kompiuterinį modelį, imituojantį Visatos evoliuciją nuo Didžiojo sprogimo iki šių laikų, bet nustatė, kad šis modelis negali imituoti tolygaus galaktikų plėtimosi, koks buvo pastebėtas Paukščių take. Tačiau, įvedus juodosios energijos jėgas, modelio rezultatai pradėjo gana tiksliai atitikti stebėjimų duomenis.

Superkompiuterio sukurtas Visatos dalies pjūvis: šviesūs taškai - tai galaktikos tarp materijos skaidulų, ir visa tai gaubia tamsiosios materijos jūra. Nuotr: James Wadsley, McMaster University, Hamilton, Ontario.
Čia didesnės rezoliucijos nuotrauka.

Mokslininkų nuomone, tai gali įrodyti kad tamsioji energija yra gerokai arčiau nei jos buvo ieškota ir galbūt galaktikos iš tiesų yra supamos juodosios energijos jūros.

O gal tamsiosios energijos nėra?

Yra sukurtos dar kelios hipotezės, aiškinančios paslaptingą visatos plėtimąsi.

Viena teigia, kad visatos greitėjančio plėtimosi variklis – vakuuminės erdvės energija, kurią sukuria nuolat susikuriančios ir išnykstančios elementariosios dalelės.

Kita teigia, kad plėtimosi priežastis – neigiamo slėgio energijos laukas (neigiama trauka arba kvintesencija).

Kai kurie mokslininkai teigia, kad tamsiosios energijos hipotezės iš viso galima atsisakyti. Tuo tikslu į Einšteino lygtis, kurių sprendiniai aprašo Visatos likimą, įvedamas papildomas narys, kurio įtaka stiprėja, kai besiplečiančios Visatos erdvės kreivis mažėja.

Nesenai pasaulį išvydo dar viena teorija. Visatos plėtimasis gali greitėti ne dėl paslaptingos jėgos, vadinamos tamsiąja energija, bet, kad ir kaip tai bebūtų paradoksalu, dėl materijos susikoncentravimo nedidelėse erdvės srityse. Astronomus 1998 metais apstulbino atradimas, kad Visatos plėtimasis nuolat greitėja. Paslaptinga stumiančioji jėga, atsakinga už šį greitėjimą, buvo pavadinta tamsiąja energija, nors mokslininkai dar iki šiol negali pasakyti kas tai yra.

Visai neseniai CERN (Šveicarija) fizikas Syksy Rasanenas pareiškė, kad galbūt greitėjimui paaiškinti tamsiosios energijos visai nereikia. Kad ir kaip tai prieštarautų intuicijai, visai įmanoma, kad Visatos plėtimasis greitėja dėl to, kad veikiant gravitacijos jėgoms nedidelėse Visatos erdvėse vyksta materijos koncentravimasis, rašo space.newscientist.com.

Kosmologai ilgą laiką manė, kad bendras Visatos plėtimasis nepriklauso nuo mažų joje esančių erdvių savybių, nes visų mažų erdvių savybių vidurkis turėtų atitikti bendras Visatos savybes.

Tačiau bet kurioje ribotoje Visatos srityje tarp materijos dalelių veikianti gravitacijos jėga veikia kaip plėtimosi stabdis. Tai reiškia, kad tose srityse, kur materijos yra daug, plėtimasis turėtų greitai lėtėti, o srityse, kur didžiąją dalį erdvės užima tuštuma, plėtimasis neturėtų smarkiai keistis. Štai šis skirtingų sričių plėtimosi greičio skirtumas ir gali sukurti tamsiosios energijos iliuziją, teigia S.Rasanenas. Kaip bebūtų keista, net jeigu kiekvienoje srityje plėtimosi greitis mažėja arba išlieka maždaug toks pats, Visatos plėtimosi bendras vidutinis greitis gali didėti.

Taip yra dėl to, kad laikui bėgant didelio tankio sritys veikiant gravitacijos jėgoms prie savęs pritraukia dar daugiau materijos, dėl ko tuštesnės sritys dar labiau tuštėja. Dėl šio proceso materija koncentruojasi į galaktikas ir galaktikų spiečius, o tuščios erdvės tarp jų vis didėja. Nors plėtimasis tankiuosiuose regionuose vis lėtėja ir lėtėja, šie regionai bendram Visatos plėtimuisi su laikui tampa vis mažiau svarbiais, nes jiems tenka vis mažesnė ir mažesnė procentinė Visatos tūrio dalis. Tuo tarpu tuščiose erdvėse plėtimasis išlieka praktiškai neribojamas, todėl šios erdvės užima vis didesnę procentinę Visatos tūrio dalį. Mažėjant tankiųjų regionų įtakai vidutinis Visatos plėtimosi greitis iš tikrųjų didėja, nors ir nėra jokios stumiančios jėgos. „Man atrodo, kad tai yra labai tikėtinas greitėjančio plėtimosi paaiškinimas“, - sakė S.Rasanenas.

Tuo tarpu Harvard-Smithsonian astrofizikos centro Kembridže (JAV) mokslininkas Niayeshas Afshordi sako, kad nors ši idėja atrodo patraukliai, visgi jos teisingumas yra „labai mažai tikėtinas“. Kad tankio skirtumų poveikis būtų juntamas, jis turėtų būti labai aiškus šimtų milijonų šviesmečių masteliu. Bet kai kurie matavimai rodo, kad tankis skiriasi vos 0,001 proc. nurodyto dydžio masteliu, sakė N.Afshordi. Jis citavo duomenis iš tyrimų, kurių metu pagal gebėjimą iškreipti šviesios spindulius matuotas įvairių regionų tankumas.

S.Rasanenas su tuo nesutinka ir teigia, kad trimačiai galaktikų žemėlapiai - tokie, kaip 2 laipsnių lauko galaktikų raudonojo poslinkio tyrimas (2-degree Field Galaxy Redshift Survey) rodo, jog skirtumai yra kur kas artimesni minimaliam 20 proc. lygiui, reikalingam, kad būtų juntamas poveikis Visatos greitėjimui.

S.Rasanenas pripažįsta, kad jis kol kas išmąstė tik supaprastintą teorinį skirtingų tankių sričių ir tuščių erdvių plėtimosi greičių modelį. Bet tol, kol nebus tiksliai nustatytas šio modelio teisingumas arba klaidingumas, astronomai negali griežtai teigti, kad Visatos plėtimosi greitėjimo kaltininkas yra tamsioji energija. „Neabejotina, kad šis klausimas nėra išspręstas“, - sakė mokslininkas.

Jei tankio skirtumai tikrai veikia Visatos plėtimąsi, tuomet Visatos plėtimosi greičio matavimai, kurie ateityje bus atlikti stebint supernovas, gali parodyti skirtingus plėtimosi greičius įvairiomis kryptimis, sakė fizikas.

S.Rasanenas savo darbą praėjusį trečiadienį pristatė Londone vykusioje kosmologijos konferencijoje, pavadintoje „Outstanding Questions for the Standard Cosmological Model“.

Mėgstantiems pasukti galvą - paslaptingas Visatos plėtimasis

Taigi, kodėl visata plečiasi tokiu greičiu yra visiškai neaišku. Tačiau...ne ką mažiau neaiškus ir pats Visatos plėtimasis. Tad jei dar nepaskaudo galva, pabandykit pasiaiškinti patį plėtimosį fenomeną.

Galima pagalvoti, jog plečiantis Visatai plečiasi ir atstumai tarp molekulių bei patys dangaus kūnai. Tačiau nei atomai, nei Saulės sistema, nei jokia galaktika nesiplečia. Visata plečiasi (pagal standartinį kosmologinį modelį) daug didesniu masteliu. Terminą „Visatos plėtimasis“ galime sutikti tiek stebėjimuose, tiek ir teorijoje. Panagrinėkime juos atskirai.

Stebėjimai. 1929 E. Hablas (E. Hubble) atrado vieną labai svarbų faktą, kad tolimų galaktikų šviesa yra pasislinkusi į raudonąją spektro dalį. Jei šį poslinkį interpretuosime kaip Doplerio efektą, tada galaktikos tolsta pagal dėsnį: (tolimo greitis) = H * (atstumas nuo Žemės) Kur H yra Hablo konstanta, kurios pradinė vertė buvo 550 kilometrų per sekundę per megaparseką. Dabartiniai Hablo konstantos įvertinimai svyruoja nuo 40 iki 100 km/s/Mpc.

Stebėdami iš kiekvieno Visatos taško gautume, kad Visata plečiasi. Turbūt visiems yra žinomas pavyzdys su balionu. Ant baliono pripieškime daug taškų ir pradėkime jį pūsti. Žiūrint iš kiekvieno taško atskirai matytume, kad tas taškas stovi vietoje, o visi kiti taškai tolsta. Tačiau žiūrėdami į balioną iš šalies matysime, kad visi taškai tols ta vieni nuo kitų, t.y. plečiasi paviršius, ant kurio jie yra. Saulės aplinkos astronominiai stebėjimai nerodo jokio tolimo.

Objektai juda, tačiau tai nėra toks judėjimas, kaip Hablo judėjimas. Pavyzdžiui, Andromedos galaktika artėja, o ne tolsta, todėl verdiktas iš stebėjimų pusės būtų toks: mūsų Galaktika nesiplečia.

Teorija. Visuose teoriniuose modeliuose dominuoja Frydmano-Robertsono-Volkerio (FRV) (Frydmann-Robertson-Walker) metrikos arba erdvėlaikiai. Jie naudojami Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos lauko lygčių sprendimui. 1923 m. rusų matematikas Aleksandras Frydmanas (Alexander Friedmann) atrado labai svarbią tų lygčių bendrųjų sprendinių klasę. Robertsonas ir Volkeris praplėtė Frydmano darbą. FRV metrika turi daug sprendinių, t.y. Visatos modelių: išsiplečiančios, susitraukiančios, plokščios, kreivos, atviros, uždaros. Besiplečiančio baliono pavyzdys taikytinas tik keliems iš jų. Metrika savyje talpina labai daug informacijos. Dabar mums svarbiausia yra atstumas. Besiplečiančioje FRV Visatoje atstumas tarp dviejų bet kurių taškų, esančių ant baliono paviršiaus, laikui bėgant didėja. Tačiau FRV modelis nėra skirtas aprašyti mūsų erdvėlaikį labai tiksliai, kuomet naudojama labai maža atstumų skalė. Žodis „maža“ šiuo atveju naudojamas labai liberaliai.

Šį dalyką galima įsivaizduoti taip. Galima galvoti apie skysčių dinamiką, kur suvidurkinant kiekvienos molekulės judėjimą per pakankamai ilgą skalę, gaunama srovė. Taip pat ir su FRV metrika. Jei mes suvidurkinsim dabartinę Visatos metriką per labai didelę skalę, gausim FRV metriką. Arba galime toliau įsivaizduoti besiplečiantį balioną. Tarkim, kad galaktikos (taškai) yra ne tik nupiešti ant baliono paviršiaus, bet paveikia ir baliono paviršiaus elastingumą. FRV ignoruoja šias smulkias lokalias variacijas. Tačiau tie taškai matematikoje atitinka taip vadinama kartu judančias geodezines linijas. Bet kurios dvi kartu judančios geodezinės linijos laikui bėgant išsiskirs, jei jos juda besiplečiančiame FRV erdvėlaikyje. Saulės sistemos atveju naudojamas atskiras Einšteino lygčių sprendinys – Švarcčildo (Schwarzschild) metrika. Ši metrika modeliuoja Saulės gravitacinį lauką. Geodezinės linijos Švarcčildo metrikoje neišsiskiria kaip FRV metrikoje, kitais žodžiais tariant, Žemė nejuda tolyn nuo Saulės.

Verta pasakyti porą žodžių ir apie Hablo konstantą. Įsivaizduokite galaktiką, kuri nutolusi nuo Žemės D šviesmečių atstumu ir pasiekusi greitį V=H*D. D visą laiką didėja dėl galaktikos tolimo, bet ar didėja V? Ne, tiesą sakant V mažėja (Niutono fizikoje pasakytume, kad gravitacinė trauka lemia šį greičio sumažėjimą, tačiau toks pasakymas neteisingas reliatyvistinėje fizikoje). Taigi H laikui bėgant mažėja, tačiau išlieka konstanta erdvėje,t.y. išlaiko tokią pačią vertę visiems tolimiems objektams, kuriuos šiandieną stebime. Tikroji Visatos metrika yra fantastiškai sudėtinga ir jos negalima aproksimuoti nei FRV, nei Švarcčildo metrika. Mūsų supratimas apie stambiąją Visatos struktūra yra netikslus ir fragmentiškas. Kalbant Niutoniniais terminais, Saulės sistema yra surišta tarpusavyje gravitaciniais saitais, kaip ir Paukščių Takas bei Vietinė grupė. Ir niekur jos nesiplečia.

Įdomios išvados - nejaugi mes akli?

Taigi, daugiau neaiškių nei aiškių dalykų. Belieka tikėtis, jog ateities stebėjimai parodys, koks yra tikrasis paslaptingosios Visatos veidas. Tačiau ir čia iškyla nedidelė problemėlė.

Paukščių takas, Andromeda, Didysis ir mažasis Magelano debesis bei dar kelios nežymios galaktikos – tai viskas, ką Žemės astronomai galės įžiūrėti per teleskopus po kelių šimtų milijardų metų, praneša svetainė „Discovery News“.

„[Kiti žvaigždynai] vis dar bus kažkur ten”, - sako JAV kosmologas Lorensas Krausas Case Western Reserve University, „tačiau erdvė [tarp jų ir mūsų] plėsis greičiau negu šviesos greitis”. Dėl šios priežasties šviesa iš kitų galaktikų niekada nebepasieks Žemės.

Galbūt dėl visko „kaltas“ iki šiol neperprastas, bet labai svarbus Visatos komponentas – tamsioji energija, arba kitaip sakant tuštumos gebėjimas daugintis. Galaktikas sudarantys dangaus kūnai arba galaktikų „salynai“ netolsta vieni nuo kitų tik dėl traukos jėgos.

Šis procesas, pasak L. Krauso skatina susimąstyti, kad galbūt ir dabartinė astronomija, pati to nežinodama, yra kamuojama panašaus „aklumo“. „Gali būti, kad Visatos pradžioje nutiko kai kas, ko negalime užfiksuoti, todėl visiems kosmologams svarbu likti labai kukliems“, - teigia mokslininkas.

Tad...ar galime pasitikėti vien stebėjimų rezultatais?... Ir ko vertos mūsų Visatos teorijos?

Parengta pagal:

• Galaktikoms - vienišių dalia
• Tamsioji energija
• Tamsioji Visatos pusė
• Tamsioji energija – tik iliuzija?
• Mokslininkai netoli nuo mūsų galaktikos surado tamsiosios energijos įrodymų
• Tamsioji materija ir tamsioji energija
• Paklausk astronomo