Tamsos pabaiga: kas iš tiesų valdo kosmosą

Tikriausiai manote, kad Carlosas Frenkas turėtų būti patenkintas, jog niekas jo nebevadina pamišėliu. Taip buvo ne visada.

„Pasisakydavau konferencijose ir žmonės kone mėtydavo į mane supuvusius pomidorus,“ sako jis.

Jo nusikaltimas buvo aistringas idėjos, tada laikytos kontroversiška, gynimas – kad didžioji visatos masės dalis yra šalta, sunki, nematoma „tamsioji medžiaga“. Dabar tai jau ortodoksiškas teiginys. Pagal standartinį scenarijų, kur susikaupia tamsioji medžiaga, normali medžiaga paklusniai seka iš paskos, tempiama visa užgožiančios gravitacijos. Ši medžiaga suformuoja žvaigždes ir taip atsiranda galaktikos – blankios šviesos atplaišos visa užgožiančios tamsos imperijoje.

Bet užtikrintumas tokiais teiginiais dabar Frenką neramina. „Staiga suvokiau, kad jauni mokslininkai priima tamsiąją medžiagą kaip savaime suprantamą dalyką ir tai mane sukrėtė iki širdies gelmių“. Jį galima suprasti. Tamsiąją medžiagą turintys išaiškinti eksperimentai kol kas nieko nepateikė. Jos dalelių, skrodžiančių Žemę, paieškos pateikė prieštaringus, stulbinančius rezultatus. Šios medžiagos poveikį matomojo kosmoso formavimuisi tiriantys modeliai blaškosi tarp triumfuojančio patvirtinimo ir begalinio prieštaravimo.

Pats būdamas jaunas kosmologijos teoretikas, esu tarp tamsiosios medžiagos šalininkų. Mano supratimu, visatoje paprasčiausiai per daug dalykų, kurių negalime paaiškinti be tamsiosios medžiagos. Bet iš šios siaubingos dilemos tikriausiai yra išeitis. Tamsioji medžiaga iš tiesų egzistuoja; tiesiog turime permąstyti idėją, kad mūsų žvaigždėmis nusėtame kosmose ji valdo viską.

Maždaug prieš dešimtmetį mano bakalauro studijų fizikos lektorius atsitiktinai supažindino mane su idėja, kad penki šeštadaliai visatos yra nematomi. Pirmą kartą tamsioji medžiaga buvo pasitelkta, siekiant paaiškinti praėjusio amžiaus ketvirtojo dešimtmečio stebėjimus, rodančius, kad galaktikų spiečiai, įvertinus juose esančią matomą medžiagą, sukasi per greitai. Aštuntajame dešimtmetyje ji vėl buvo prisiminta, siekiant paaiškinti, kodėl pačios galaktikos sukasi per greitai, it traukiamos papildomos gravitacijos. Tačiau prisimenu tada galvojęs, kad lygiai taip pat sėkmingai kosmoso reiškinius galima aiškinti stebuklingomis fėjų dulkėmis.

Bet su patirtimi atėjo ir tikras tikėjimas. Galaktikų ir kitų masyvių objektų išlenkiama šviesa vainikuoja idėją, kad kosmose yra daugiau, nei galime pamatyti. Foninės mikrobangų spinduliuotės – Didžiojo sprogimo atšvaito struktūra atskleidžia, kaip medžiaga ankstyvojoje visatoje pakliuvo į pusiausvyros varžybas tarp gravitacinio susitraukimo ir plečiančio slėgio tiksliai iki smulkiausių tamsiosios medžiagos numatomų detalių. Mano paties galaktikų formavimosi tyrime, norint atkurti ką nors panašaus į po kosmosą išsibarsčiusį galaktikų tinklą, reikia tokios tamsiosios medžiagos, kaip Frenkas ir kiti užsakė: šalta, vos judančio „kažko“, sriuba.

Bailiukų slėpynės

Laimei, dalelių fizikai pateikia gatavą tokios sriubos receptą. Supersimetrijos teorija yra mėgiamiausias dabartinio Standartinio modelio, aprašančio daleles ir jų sąveikas, praplėtimas. Jos pateikiamame realybės matematiniame vaizde daroma prielaida, kad kiekviena iki šiol atrasta dalelė turi daug sunkesnį partnerį. Kai kurie iš šių superpartnerių yra silpnai sąveikaujančios masyvios dalelės (Weakly Interacting Massive Particles – WIMP). Jos turi masę (tad kuria gravitaciją ir yra jos veikiamos), bet nesąveikauja su šviesa ir negali būti matomos. Didžiojo sprogimo metu sukurtų WIMPų skaičius gerai sutampa su tamsiosios medžiagos tankiu, žinomu iš kosmologinių stebėjimų – šis sąryšis kartais vadinamas WIMP stebuklu.

Bet ar stebuklai tikrai vyksta? Jokiame eksperimente, galėjusiame sukurti supersimetrines daleles, netgi CERN veikiančiame LHC, šalia Ženevos Šveicarijoje, kol kas nebuvo pastebėta jų užuominų. Paprasčiausios supersimetrijos teorijos jau atmestos, o sudėtingesnės versijos laukia savo lemties, kai LHC vėl pradės veikti su aukštesnėmis energijomis, tikriausiai 2015 metais. „Po to, jei supersimetrijos dalelių neras maždaug per metus, manysiu, kad teorija negyva,“ sako Benas Allanachas, dalelių teoretikas iš Kembridžo universiteto. „Imsiu darbuotis prie ko nors kito, ir manau, daugelis kitų žmonių jaučiasi panašiai.“

Tai ne vienintelis sunkumas. Kruopštūs eksperimentai, ieškantys iš kosmoso atskriejančių WIMPų pėdsakų, pateikia gluminančius rezultatus. DAMA eksperimentas Gran Sasso Nacionalinėje laboratorijoje centrinėje Italijoje rodo su metų laikais kintančius signalo pokyčius. To galima tikėtis, jei sukdamasi apie Saulę, Žemė juda ramios šaltos tamsios jūros atžvilgiu, bet kiti eksperimentatoriai su atradimu visiškai nesutinka. Kosmose vykstančios misijas, pavyzdžiui PAMELA palydovas ir Alfa magnetinis spektrometras (AMS), veikiantis TKS, išmatavo antimedžiagos dalelių perviršį, galintį susidaryti, susidūrus dviems WIMPams – bet jie neatitinka mūsų prognozių. Bendrai žiūrint, „yra didžiulis skepticizmas dėl teiginių apie tamsiosios medžiagos aptikimą, nes kiti eksperimentai juos paneigia,“ sako Frenkas.

Tačiau didžiausias smūgis tikriausiai yra tai, kad detaliau pažiūrėjus, neatrodo, kad WIMPinė šalta tamsioji medžiaga būtų vienintelis formuojantis galaktikas skulptorius, kaip manėme anksčiau. Pernai Michaelas Boylan-Kolchinas, kosmologas iš Kalifornijos universiteto Irvine'e, vykdė standartinės šaltos tamsiosios medžiagos poveikio simuliaciją nykštukinių sferoidų, minigalaktikų, zujančių apie Paukščių Tako galaktiką, formavimuisi. Boylan-Kolchinas galėjo spręsti apie šių nykštukinių galaktikų tamsiosios medžiagos kiekį, stebėdamas žvaigždžių judėjimą jų viduje (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol 415, p L40). „Tai buvo nesuprantama: simuliacijoje viskas buvo masyviau ir tankiau, nei matome tikroje visatoje,“ sako jis.

Ar metas pakeisti mūsų tamsiosios medžiagos užsakymą?

Šiltesnis viralas

Meniu yra alternatyvų. Jei tamsioji medžiaga būtų ne vėsi gaspačio, o karštas greitesnių dalelių sultinys, ji telktųsi ne taip lengvai ir formuotų skystesnes galaktikas. Devintajame dešimtmetyje atlikti neutrinų matavimai kai kuriuos tyrėjus įtikino, kad bendros šių keistų dalelių, lakstančių aplink beveik šviesos greičiu, masės pakaktų, norint paaiškinti tamsiąją medžiagą. Bet ši masė pasirodė labai pervertinta, tad neutrininei tamsiajai medžiagai iškilo priešingos problemos, nei šaltajai: ji judėtų pernelyg greitai, kad išvis galėtų susikaupti į santykinai kompaktiškas struktūras, panašias į galaktikas.

Yra ir trečias kelias. Prieš porą metų Frenkas su komanda ėmėsi ieškoti „Auksaplaukės“ sprendimo: tamsiosios medžiagos, kuri ne per daug karšta, ne per daug šalta, o kaip tik tokia, kokios reikia.

Savo nuostabai, jiems pavyko priversti drungną tamsiosios medžiagos variantą kurti teisingas, nykštukines sferines galaktikas – nesugriaunant kitos kosmologijos (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol 420, p 2318).

Tačiau pasekmės vis tiek yra. Pagrindinis šiltos tamsiosios medžiagos dalelės kandidatas yra sunkesnis, neapčiuopiamesnis neutrino giminaitis sterilus neutrinas. LHC gali sukurti sterilius neutrinus netiesiogiai, dalelių susidūrimuose, bet jų braižas yra toks subtilus, kad galima ir nesuprasti, kad tai jis. Labiausiai tikėtina užfiksuoti sterilius neutrinus yra normaliems neutrinams spontaniškai virstant į juos ir pradingstant iš jutiklių radaro.

Tad, jei sprendimas yra šilta tamsioji medžiaga, tokie eksperimentai, kaip DAMA, atsakymo ieškojo ne ten. „Iš eksperimentinio požiūrio taško tai būtų labai tragiška, nes buvo padarytos didžiulės investicijos, ypač į tiesioginį WIMPų aptikimą,“ sako Frenkas. Idėja turi pasekmių ir teoretikams: šilta tamsioji medžiaga nepriklauso supersimetrijos teorijos numatomoms dalelėms, ir abi idėjos dėl to žymiai susilpnėja.

Tuo tarpu, Jorge'as Peñarrubia su kolegomis iš Edinburgo universiteto, JK, tyrė tamsiosios medžiagos pasiskirstymą netoliese nykštukinių sferinių galaktikų. Atrodo, ji pasiskirsčiusi tolygiai per visą jų diametrą (The Astrophysical Journal, vol 742, p 20). „Šio pastovaus tankio mes nesitikėjome,“ sako Peñarrubia. Bet kokios temperatūros tamsiosios medžiagos – šaltos, karštos ar šiltos – simuliacijos sukurdavo nykštukines galaktikas, kurių tankis, artėjant prie centro, augo. Šis teorijos ir stebėjimų neatitikimas stebimas ir su šiek tiek didesnėmis, tolimesnėmis galaktikomis.

Kai kurios egzotiškesnio skonio tamsiosios medžiagos galėtų padėti, tarkime „sąveikaujanti su savimi“ tamsioji medžiaga, nenuoramos dalelės, nuolatos šokinėjančios ir dėl to nesudarančios tankių centrinių kūpsnių . Bet tada neaišku, kokių hipotetinių dalelių tinkamas kiekis bruzdėtų nykštukinėse galaktikose ir kad jų nebūtų per daug galaktikose. Man tokia sriuba šiek tiek atsiduoda žuvimi.

Tad, esame aklagatvyje. Šalta tamsioji medžiaga neatlieka visų darbų, kurių jos prašome – bet vėlgi, to nepadaro ir niekas kitas.

Tačiau mano nuojauta kužda, kad šalta tamsioji medžiaga visgi gali būti teisingas pasirinkimas. Tereikia nustoti galvoti, kad tai yra totalitarinė galaktikas valdanti jėga. Per savo gyvenimą žvaigždės išspinduliuoja daugybę energijos. Atėjus laikui, jos sprogsta kaip supernovos. Į juodąsias bedugnes įsisukančios dujos sukuria milžiniškus karščio kiekius. Bet kurio iš šių šaltinių teikiamos energijos pakaktų pasiųsti gigantiškus kiekius dujų suktis galaktikų viduje. Tamsioji medžiaga nėra atspari šiems galingiems gravitaciniams pasistumdymams: ji pradeda judėti kartu. Mano ir daugelio kolegų per pastaruosius keletą metų atliktos simuliacijos rodo, kad pakankamai sukrėtus normalias dujas, tamsiąją medžiagą jos pasiunčia pašėlusios pasiutpolkės ritmu skrajoti kaip snaiges sniego gaublyje (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol 421, p 3464).

Tada tamsiosios medžiagos dalelės galėtų vėl būti šaltos ir supersimetriškos, ir aktyviau pajudėtų tik sujudintos neramios normaliosios medžiagos. Padidėjusi tokios protogalaktinės sriubos energija neleistų jai pernelyg sutankėti, tad Paukščių Tako nykštukinių palydovių struktūra būtų paaiškinta. Vienintelis likęs galvosūkis – kodėl tiesioginės tamsiosios medžiagos paieškos kol kas pateikia tokius nevienprasmiškus rezultatus. Gal tiesiog dėl to, kad svarbiausi dalelių fizikos eksperimentai yra sunkūs.

Peñarrubia mano, kad tai gana įtikimas paveikslas. „Tamsiosios medžiagos perskirstymui reikia daugybės energijos ir supernovų sprogimai yra vienintelis tikėtinas šaltinis,“ pažymi jis. Bet jis nelinkęs manyti, kad vien supernovų pakanka, ypač – tinkamo tankio sferoidinių nykštukinių galaktikų susiformavimui. „Mažas tokių galaktikų žvaigždžių skaičius riboja supernovų energiją iki vos pakankamo lygio,“ sako jis. Boylan-Kolchinas taip pat skeptiškai vertina galimybę, kad visko sumaišymas kosminiais sprogimais išspręstų visas problemas. „Asmeniškai man atrodo, kad nepanašu, jog visi šie efektai galėtų išgelbėti šaltos tamsiosios medžiagos teoriją,“ abejoja jis.

Paslėpti signalai

Žinoma, aš sakyčiau, kad jis pernelyg pesimistiškas – ir nurodyčiau kitus, nors ir neišbaigtus, nenuoramos normalios medžiagos, svaidančios tamsiąją medžiagą, idėjos įrodymus. Jie gauti iš NASA'os gama spindulių palydovo teleskopo Fermi, kuris ieškojo regimų tamsiosios medžiagos signalų nuo 2008-ųjų. Tai gali atrodyti kaip tuščios pastangos – juk tamsioji medžiaga todėl ir vadinama tamsiąja, nes jos nesimato. Bet netgi šaltos tamsiosios medžiagos teorija teigia, kad galima išvysti netiesioginius jos ženklus, tarkime, jos dalelėms susidūrus ir anihiliavus, atsiranda netgi labai matomas gama spindulių žybsnis.

Paukščių Tako nykštukinės palydovės vėl tapo gera stebėjimo vieta. Jos arti ir natūraliai labai blyškios, o tai reiškia, kad labai tikėtina, jog iš jų atskrieję gama spindulių fotonai bus kilę iš tamsiosios medžiagos anihiliacijos. Oficialiai dar nei vieno nematėme. „Kol kas dar neaptikome jokio signalo,“ sako Fermi komandos narys Andrea Albert iš Ohajo valstijos universiteto Columbuse.

Tačiau praėjusį balandį tyrėjas, nepriklausantis Fermi bendradarbiams, Christophas Wenigeris iš Maxo Plancko Instituto Miunchene, Vokietijoje, sukėlė šurmulį tarp astrofizikų, iškėlęs mintį, kad Fermi iš tiesų jau užfiksavo tamsiosios medžiagos signalą – ne iš nykštukinių galaktikų, bet iš pačios Paukščių Tako galaktikos šerdies apylinkių. Jo darbe nurodomas iš tos pusės atskriejančių tos pačios, maždaug 130 gigaelektronvoltų energijos gama spindulių perteklius, pasimetęs viešai paskelbtuose Fermi palydovo duomenyse (Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, DOI: 10.1088/1475-7516/2012/08/007).

Signalas silpnas ir stipriausias ne Paukščių Tako centre, kur būtų galima tikėtis tamsiosios medžiagos sankaupos, bet maždaug per vieną laipsnį nuo centro. Šis nukrypimas kelia įtarimą, kad jis kyla dėl nežymaus teleskopo nesukalibravimo.

Arba gali būti, kad normali medžiaga stumdo tamsiąją. Bent jau taip rodo Mike'o Kuhleno iš Kalifornijos universiteto Berklyje, pernai atlikta simuliacija (arxiv.org/abs/1208.4844). „Tai mane nustebino, bet vos ne iš karto matosi, kaip tamsiąją medžiagą simuliacijoje atstumia dujos ir žvaigždės,“ sako jis.

Tad, viskas gerai su standartine šalta tamsiąja medžiaga, jei atsižvelgiama į normalios medžiagos įtaką. Tik nereikia skubėti, sako Frenkas. Jei supersimetriškos dalelės anihiliuotų viena kitą, išskirdamos gama spindulius, šie nebūtų vienos standartinės energijos, o būtų išplitę: anihiliacijos mechanizmas kuria elektronus ir pozitronus, palaipsniui ir nenuspėjamai netenkančius savo energijos. „Reikalas labai žavintis, bet nemanau, kad ką nors radome,“ pažymi jis.

Reikalai iškart pakistų, jei daug eksperimentų, ieškančių tamsiosios medžiagos, pradėtų pateikinėti sutampančius rezultatus. Bet geriausiu atveju, to nebus dar ne vienerius metus. Tuo tarpu šis neatitikimas yra muzika Frenko ausims. „Nežinome ar šalta tamsioji medžiaga yra teisinga,“ sako jis. „Jei visi tiesiog aklai pasigriebia idėją, reikalai neprogresuoja.“

Andrew Pontzen, kosmologijos teoretikas iš Oksfordo universiteto
New Scientist, № 2909