Tamsiosios materijos atradimas. Iš ko buvo sudaryta Visata, kol dar nebuvo žvaigždžių ir galaktikų? ()
Apie Visatos masę, galaktikų spiečius Berenikės Garbanose ir gravitacijos dėsnio modifikavimą.
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Visų pirma, vertėtų atkreipti dėmesį, kad bus kalbama tik apie tamsiąją materiją, o ne apie tamsiąją energiją. Tamsioji energija — visai kita tema. Šių reiškinių pavadinimai panašūs, bet tuo jų panašumas ir baigiasi, – tai du visiškai skirtingi dalykai. Aptarsime tamsiąją materiją, arba slaptąją masę.
Slaptoji masė buvo atrasta eksperimentiniu būdu, kitaip, nei tamsioji energija. Pirmoji užuomina apie slaptąją masę atsirado dar 1933 metais. Tada galaktikos dar buvo visiška naujiena, – paaiškėjo, kad Visatoje yra mūsų galaktika ir yra kitos galaktikos. Tada išsiaiškinta, kad galaktikos buriasi į spiečius ir juos pradėta tirti. Tyrinėdamas stambų Berenikės Garbanų galaktikų spiečių, garsus astronomas F. Zwicky aptiko, kad, viena vertus, jis visiškai virializuotas ― šis gudrus žodis, paprasčiau tariant, reiškia, kad spiečius visiškai susiformavęs, stabilus.
Įsivaizduokite, kad yra baseinas, pertvara padalintas į dvi dalis, kuriose yra skirtingas vandens lygis. Ištraukus pertvarą, vanduo siūbtels. Iš pradžių baseine sklis banguos, o paskui vanduo nusistovės naujame lygyje. Berenikės Garbanų spiečius atrodė visiškai užbaigtas: teisingas greičių pasiskirstymas, viskas idealu, išskyrus vieną dalyką — spiečiui katastrofiškai trūko masės.
Panagrinėkime nesusijusį, bet iš tiesų labai panašų pavyzdį — Saulės sistemą. Ją sudaro planetos, skriejančios apie Saulę. Čia irgi viskas virializuota, ― suprask, stabilu, nusistovėję ― viskas juda stacionariomis orbitomis, ir praktiškai niekas nesikeičia, mūsų Žemė sukasi apie Saulę maždaug 30 km/s greičiu. O dabar įsivaizduokite, kad 90% Saulės kažkas nugvelbė, ir teliko 10%. Tada jos gravitacijos jau nepakaktų – Žemė nebeišsilaikytų savo orbitoje ir nuskrietų praktiškai tiesiai į kosmoso tamsą — 10% Saulės jos beveik nesulaikytų.
Būtent tokį vaizdą 1933 metais išvydo F. Zwicky'is. Jis spėjo, kad iš tiesų, be žvaigždžių, dujų ir kitų regimų komponentų, Berenikės Garbanų galaktikų spiečiuje yra dar kažkokia slapta masė. Jis būtent taip ją ir pavadino ― Dunkle Materie (vok. tamsioji materija). Tačiau tada šiuo atradimu ne visi patikėjo, ir labai ilgai jo niekas nenagrinėjo. Būta kitų paaiškinimų: spėta, kad gal neteisingai paskaičiuota žvaigždžių masė, ir galų gale, spiečius tikriausiai tiesiog sklaidosi. Tai buvo keista, nes jei spiečius iš tiesų sklaidytųsi, jau būtų tai padaręs daug greičiau, nei per Visatos amžių. Žodžiu, klausimas pakibo ore. Ir vėliau, kai buvo tyrinėjamos tarpusavyje sąveikaujančios galaktikos, kilo problemų. Kai kuriose knygose, netgi mokslo populiarinimo, jau buvo rašoma, kad egzistuoja kažkokios nežinomos, mokslo dar neatrastos jėgos.
Tačiau aštuntojo dešimtmečio gale tamsioji materija pagaliau buvo atrasta. O įvyko viskas štai kaip: grupė astronomų radioteleskopu stebėjo atskiras galaktikas. Jie žiūrėjo, kaip objektų — žvaigždžių arba dujų — sukimasis apie galaktikos centrą priklauso nuo atstumo. Užtenka mokyklinės fizikos, kad žinant greitį ir spindulį, būtų galima nustatyti to spindulio viduje esančią masę. Buvo nustatytas stulbinamas dalykas: tolstant nuo galaktikos centro, žvaigždžių skaičius visada mažėja ir periferijoje jų visiškai nėra, ten skrieja tik atskiros dujų sankaupos, kurios radioteleskopais dar matomos. Taigi, net stebint šias dujų draiskanas, galima nustatyti, kad didėjant radiusui, didėja ir galaktikos masė, nors ten nieko nesimato. Po šio atradimo mokslo bendruomenė patikėjo, kad kažkokia tamsioji materija egzistuoja.
Tiesa, buvo alternatyvi versija. Iškelta prielaida, kad gravitacijos dėsnis ― antrasis Niutono dėsnis ― neteisingas, kad iš tiesų pagreitis nėra tiesiogiai proporcingas kūną veikiančiai jėgai, o dar reikia kažkokios mažos pataisos. Pagreičiai, su kuriais šiuo atveju susiduriame, labai maži ir Žemėje jų nepastebime. Todėl manyta, kad reikia arba modifikuoti mechanikos mokslo dalį, kuri nagrinėja kūnų judėjimo greičio kitimo priežastis – dinamiką, arba tarti, kad yra nežinoma tamsioji materija, kitaip slapta masė.
Kurį laiką šios versijos buvo lygiavertės, tačiau stebėjimų duomenys pamažu kaupėsi ir tapo aišku, kad tai – būtent slaptoji masė, arba tamsioji materija. Svarbiausi čia buvo du stebėjimai. Visų pirma, buvo išmatuotas reliktinio spinduliavimo fonas, tai yra, spinduliavimo, susidariusio tada, kai nei žvaigždžių, nei galaktikų nebuvo, o Visata buvo užpildyta vienalytėmis dujomis. Nuo dujų atsiskyrusį spinduliavimą galime stebėti iki šiol. Dabar jo temperatūra maždaug 3 kelvinai, ir pagal šio spinduliavimo netolygumą galime spręsti, kiek yra materijos Visatoje.
Dabar Visatą sudaro tamsioji materija, tamsioji energija ir įprastinė materija. Reliktinio spinduliavimo susidarymo laikais tamsiosios energijos indėlis buvo visiškai menkas: buvo tik tamsioji materija ir įprastinė materija. Tačiau įprastinės medžiagos kiekį galima nustatyti ir kitu būdu, pagal cheminę sudėtį. Žinome, kad įprastos medžiagos buvo ne daugiau nei 20–25% (šie vertinimai šiek tiek kinta). Jeigu nebūtų tamsiosios materijos, įprastos materijos turėtų būti 100%, tačiau jos aiškiai mažiau. Tai yra, kažkoks itin neįprastas komponentas egzistavo netgi tada. Taigi, jei sakome, kad tamsiosios materijos nėra, o yra kažkokia dinamikos ar traukos dėsnių modifikacija, reikėtų paaiškinti ir šį faktą.
Šio amžiaus pirmojo dešimtmečio pabaigoje buvo nuodugniai ištirta Kulkos galaktikų spiečius. Pagrindinę galaktikų spiečių masės dalį sudaro dujos, į kurias jis paniręs. Spiečiuje yra ir galaktikų ir žvaigždžių, tačiau pagrindinę masės dalį sudaro dujos. Kulkos ūkas — du susiduriantys spiečiai, tai yra, jie viens per kitą perėjo. Viskas vyko visiškai įprastai: žvaigždės prasikeitė lyg niekur nieko, nes žvaigždžių susidūrimas – itin menkai tikėtinas įvykis. O štai dujos susidūrė ir dabar matome du galaktikų spiečius be dujų ir dujas centre. Jei tamsiosios materijos nebūtų, beveik visa masė būtų susitelkusi šiose dujose. Tačiau tikrąjį masės pasiskirstymą galime nustatyti, naudodami gravitacinį lęšiavimą. Paaiškėjo, kad pagrindinė masės dalis perėjo viena per kitą. Tamsioji materija su niekuo nesąveikauja, todėl praėjo laisvai.
Jei visgi tai modifikuota gravitacija, kažką sugalvoti būtų galima, tačiau kol kas tikėtinų paaiškinimų negirdėti. Ir svarbiausia, jeigu keistume dinamiką, reikėtų tai atlikti vieningai. Ją galima modifikuoti kaip patinka, tačiau tai turi neprieštarauti jau turimiems stebėjimams, bandymams, kurie atliekami Žemėje, o antra, modifikacija privalo būti universali, tai yra, ją modifikavus, naujasis dėsnis privalo veikti visur, kaip dabar manome, kad visur veikia Niutono dėsnis.
Atlikti vieningos modifikacijos, kuri aprašytų visus reiškinius, kurie priskiriami tamsiajai materijai, kol kas niekam nepavyko. Taigi, tamsioji materija pasireiškia bent trijuose skirtinguose stebėjimuose, trimis skirtingais mastais ir todėl tikime, kad ji egzistuoja, kad tai stebimas faktas. Tamsiosios materijos paaiškinti žinomomis materijos formomis – dujomis, juodosiomis bedugnėmis ar kokiomis nors itin lengvomis žvaigždėmis, kurių nematome, nes jos tokios lengvos, kad nešviečia, jos nevyksta branduolinės reakcijos – irgi niekaip nepavyktų.
Šio mokslo pradžioje panašių teorijų buvo, tačiau netgi tada, dar iki reliktinio spinduliavimo atradimo ir kitų stebėjimų, jos atrodė labai abejotinos, ir joms kilo itin didelės problemos. Pavyzdžiui, jei tarsime, kad mūsų galaktiką supanti medžiaga sudaryta iš dujų, tai sugalvoti tokį modelį, kad toks dujų kiekis būtų visiškai neregimas, praktiškai neįmanoma: jos arba pradėtų formuoti žvaigždes, arba būtų matomos spektro linijose, nes dabar stebėjimo technika labai gera. Tad, jeigu tai būtų įprasta medžiaga, ją būtume jau seniai pastebėję. Tai yra, sugalvoti modelį, kuriame nereikėtų tamsiosios materijos, labai sunku.
Atradus, kad jau reliktinio spinduliavimo atsiradimo metu, kai buvo tiesiog vienalytės dujos ir dar didelė dalis kažkokios neįprastos medžiagos, įprasta medžiaga tamsiosios materijos paaiškinimui, aišku, nebetinka. Todėl dabar tamsiosios materijos egzistavimas — patikimai nustatytas empirinis faktas. Žinoma, gal bus atrasta kas nors visiškai neįprasto, tačiau tai itin menkai tikėtina, nes tokia teorija, kurioje tamsiosios materijos nėra, turėtų būti labai egzotiška. Veikiausiai ji tiesiog neįmanoma.
