Dario Hrupec
Izvorno objavljeno u Bug online (5.10.2014)
Hladna tamna tvar - vruća tema današnje fizike
Tvar od koje smo sami građeni, od koje su građeni Zemlja i drugi planeti, Sunce i druge zvijezde, samo je mali dio ukupne materije i energije svemira. Tek 5%. Ostalih 95% čine tamna materija, o kojoj znamo malo, i tamna energija, o kojoj znamo još manje. Kao i uvijek, terra incognita znanosti rasplamsava maštu znanstvenika. Rađaju se ideje; provode se eksperimenti. U središtu pažnje trenutno je hladna tamna tvar.
Naše je Sunce sasvim obična zvijezda. Za život na Zemlji ona je bez sumnje najvažnija zvijezda u svemiru. No, iz kozmičke perspektive potpuno je beznačajna. Jedna je od približno sto milijardi zvijezda u našoj galaksiji. Od slične je važnosti i cijela naša galaksija: jedna od približno sto milijardi galaksija u cijelom svemiru. A sve zvijezde iz svih galaksija zajedno čine – pazite sad – tek 0,5% ukupne materije u svemiru. Pola posto!
Što je ostatak svemira? Kao prvo, budimo precizniji oko onih 0,5%. Taj se postotak zapravo odnosi na svjetleću tvar u svemiru: gotovo sve zvijezde (jer jedan manji dio zvijezda ne svijetli) i sav svjetleći plin (koji daje značajan doprinos). Na materiju koja ne svijetli otpada 26,5% i to je glasovita tamna materija. Preostalih 73% je tamna energija koja je povezana s nedavno otkrivenim ubrzanim širenjem svemira.
Prije nego nešto više kažem o tamnoj materiji moram reći da u ovom kontekstu tvar i materija nisu sinonimi. Materija je širi pojam koji obuhvaća tvar i medijatore sila. Tvar je onaj dio materije koji je načinjen od elementarnih čestica leptona i kvarkova. Tvar čine čestice s masom, primjerice protoni, atomi, molekule i sve ono što je od njih građeno. Primjer medijatora sile je foton – čestica svjetlosti. Za razliku od tvari, foton nema masu, ali ima energiju. No, masa i energija su blisko povezani fizički koncepti, kao što su blisko povezani prostor i vrijeme. Svi dosad navedeni postoci odnose se na maseno energijski sadržaj svemira.
No, vratimo se tamnoj materiji. Što je u spomenutih 26,5%? Sad dolazi najzanimljiviji dio priče. Tek djelić te tamne materije čine objekti sastavljeni od poznatih čestica. Tu su već spomenute zvijezde koje ne svijetle: smeđi patuljci, bijeli patuljci, neutronske zvijezde, crne rupe, pa onda planeti i druga mala tijela zvjezdanih sustava, a i energija koju nose fotoni i drugi medijatori u cijelom svemiru. Važniji doprinos tamnoj materiji sastavljenoj od poznatih čestica daju nesvjetleći međuzvjezdani plin i supermasivne crne rupe koje se nalaze u središtima gotovo svih galaksija. Sve to nabrojeno daje otprilike 4,5% što s 0,5% svjetleće tvari čini ukupno oko 5% svemira načinjenog od poznate materije. Priroda ostatka svemira zasad je nepoznata.
Izdvojili smo dakle 4,5% tamne materije kao onaj dio čija nam je priroda poznata. Preostalo je još nepoznatih 22%. Ali, kako uopće znamo da to postoji? Prve indicije za postojanje značajne količine materije koja ne svijetli došle su iz astronomskih opažanja dinamike zvijezda još u prvoj polovici 20. stoljeća. Gibanje svake zvijezde određeno je okolnom raspodjelom mase. Iz opažanja zvjezdanog gibanja može se "vidjeti" i masa koja ne svijetli. Posebno su znakovita bila opažanja rotacije vanjskih dijelova galaksija. Ona su pokazala da veliki dio galaksije ne svijetli, ali da djeluje gravitacijski, što znači da ima masu.
Za dio galaksije koji ne svijetli, ali djeluje gravitacijski, kroz povijest su korišteni različiti nazivi: skrivena masa, nedostajuća masa, nesvjetleća tvar, tamna tvar. Na kraju je prevladao naziv tamna tvar. Mogli bismo reći i tamna materija, ali po analogiji s običnom materijom (gdje tvar koristimo za čestice s masom koje nisu dugodosežni medijatori) bolji je naziv tamna tvar. Dakle, za 4,5% tamne tvari znamo što je i nju nazivamo barionskom tamnom tvari. Ostalih 22% je nebarionska tamna tvar. Postoji mnoštvo ideja što bi to moglo biti.
Iz kozmologije, znanosti o razvoju svemira koja zadnjih desetak godina jako naglo napreduje, možemo izvesti neke zaključke o nebarionskoj tamnoj tvari. Dinamika razvoja velikih struktura u svemiru – galaksija, skupova galaksija i superskupova galaksija – upućuje na zaključak da nebarionska tamna tvar mora biti relativno hladna ili nerelativistička. Vruću tamnu tvar činile bi čestice male mase koje se gibaju brzinama bliskim brzini svjetlosti, primjerice neutrino. Hladnu tamnu tvar činile bi čestice relativno velike mase koje se gibaju sporo u odnosu na brzinu svjetlosti. Opažanja koja potvrđuju vodeće kozmološke modele presudila su u korist hladne tamne tvari.
Čestice hladne tamne tvari su, dakle, masivne i slabo međudjeluju s ostatkom svemira. Naime, međudjeluju isključivo gravitacijski, a gravitacijska sila je najslabija od četri temeljne sile u prirodi. Zato je za te čestice skovan akronim WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), što znači masivna čestica koje slabo reagira. No, taj akronim nije odabran slučajno. Wimp je na engleskom mlitavac, što bi trebala biti suprotnost za muškarčinu ili mačo. Naime, alternativa za WIMP bila je MACHO (Massive Astrophysical Compact Halo Object) što znači masivni astrofizički kompaktni objekt u galaktičkom halou. MACHO bi trebali biti ostaci nekadašnjih zvijezda: crne rupe, neutronske zvijezde, smeđi patuljci. Pokazalo se da njih ne može biti ni približno toliko koliko treba za svu nedostajuću masu u galaktičkom halou – kuglastom proširenju galaksije koje se proteže daleko izvan područja rubnih zvijezda.
I za kraj, raznim se eksperimentima pokušava detektirati čestice hladne tamne tvari. Eksperimenti izravne detekcije polaze od pretpostavke, koja je proizašla iz teorije, da će se WIMP ponekad sudariti s atomskom jezgrom. Mjerenjem takve jezgre koja je naglo izbačena sa svojeg položaja, pri čemu su svi drugi razlozi izbacivanja eliminirani, mogla bi se izmjeriti svojstva WIMP-a. Takvi su eksperimenti smješteni duboko pod zemljom gdje ne dopiru mioni iz kozmičkih zraka. Eksperimenti neizravne detekcije polaze od druge pretpostavke, također proizašle iz teorije, da se čestice hladne tamne tvari ponekad anihiliraju pri čemu nastaju dvije gama-zrake vrlo visokih energija. Takve gama-zrake pokušavaju se opaziti iz kozmičkih objekata koji su predviđeni kao potencijalni izvori učestale anihilacije čestica hladne tamne tvari. A traže ih posebni teleskopi koje nazivamo Čerenkovljevim teleskopima. Trenutno na svijetu postoje samo tri sustava takvih teleskopa. Jedan od njih je MAGIC, smješten na kanarskom otoku La Palmi, u čijoj je kolaboraciji i deset članova iz Hrvatske.
Tamna tvar do danas nije opažena. To, naravno, ne znači da ona ne postoji. Možda tražimo u krivom području ili nam jednostavno eksperimenti nisu dovoljno osjetljivi. Bilo je, doduše, nekoliko tvrdnji o eksperimentalnim potvrdama izravne detekcije tamne tvari, ali ni jedan od tih rezultata zasad nije dovoljno uvjerljiv. Što se neizravnog traženja tiče, kolaboracija MAGIC objavila je rezultate analize svojih opažanja patuljaste galaksije Zmaj i skupa galaksija Perzej. Za oba izvora postoje opravdane pretpostavke da emitiraju gama-zrake iz anihilacije hladne tamne tvari. MAGIC te gama-zrake nije detektirao, ali je na temelju svojih opažanja postavio gornju granicu na tok zračenja, što je važan podatak za buduće eksperimente. Potraga i dalje traje, a njezini će rezultati u svakom slučaju biti uzbudljivi. Ako eksperimenti ne potvrde tamnu tvar, teorija će morati ponuditi novo, drukčije i možda potpuno neočekivano tumačenje.
