Kas ir tumšā matērija: definīcija, īpašības un novērojumu pierādījumi

Tumšā matērija ir matērijas veids, kas, domājams, veido lielāko daļu Visuma masas. Tā ir "neredzamā" masa — mēs to neieraudzām ar parastajiem teleskopiem, taču varam secināt par tās esamību pēc gravitācijas ietekmes uz redzamo matēriju.

Kā ideja radās un vēsturisks fons

Šī ideja radās, kad astronomi atklāja, ka lielo astronomisko objektu masa un to gravitācijas ietekme ir daudz lielāka nekā "spožās matērijas" masa, ko veido zvaigznes, gāze un putekļi. Kā iemeslu zvaigžņu griešanās ātrumam Piena Ceļā 1932. gadā pirmo reizi ierosināja Jans Oorts. Fricis Cvickis 1933. gadā izmantoja tumšo matēriju, lai izskaidrotu "trūkstošo masu" galaktiku griešanās ātrumos galaktiku kopās. Vēlāk plašāki novērojumi, tostarp darba rezultāti no zvaigžņu rotācijas pētījumiem (piemēram, Vera Rubin) un no kosmoloģijas mērījumiem, pastiprināja šo ideju.

Novērojumu pierādījumi

Daudzi neatkarīgi novērojumi liecina par papildus, neredzamu masu klātbūtni. Galvenie argumenti:

• Galaktiku griešanās līknes: zvaigžņu rotācijas ātrumi galaktikās saglabājas augsti arī lielā attālumā no centra, kas prasa vairāk masas nekā redzams materiāls.
• Gravitācijas lēcas: fona objektu gravitācijas lēcas (gaismas izkropļojumi, ko rada masa) rāda masu sadalījumu, kas bieži neatbilst redzamai materiālai.
• Galaktiku kopu karstās gāzes un masu mērījumi: karstās plazmas temperatūras un kustības tiek noteiktas no rentgenstarojuma, un tās liecina par dziļākām gravitācijas potenciāla bedrēm nekā spēj izveidot redzamā matērija.
• Bieži citētais piemērs — "Bullet Cluster": 2006. gadā zinātnieku grupa apgalvoja, ka ir atraduši veidu, kā atrast tumšo matēriju. Tā kā tumšā matērija esot ļoti atšķirīga no parastās matērijas, sagaidāms, ka tā darbosies citādi. Zinātnieki novēroja divus tālu esošus galaktiku kopumus, kas lielā ātrumā bija sadūrušies viens otrā: normāla matērija pēc sadursmes būtu izkliedējusies tuvumā, bet tumšā matērija - ne. Mērot gravitāciju, viņiem izdevās atklāt kaut ko līdzīgu diviem tumšās matērijas mākoņiem, starp kuriem atradās normālās matērijas (karstas gāzes) mākoņi — tas ir spēcīgs arguments par materiālas, gravitācijas ietekmi likumību, kuru nevar izskaidrot tikai ar redzamo matēriju.
• Kosmiskā mikroviļņu fona (CMB) un lielo struktūru veidošanās: Precīzi mērījumi (piemēram, no Planka misijas komandas) parāda, ka Visuma sastāvā ir liela daļa neredzamās matērijas, un bez tās nav iespējams pareizi izskaidrot, kā veidojās galaktiku un to kopu liela mēroga struktūras.

Daudzums un loma kosmoloģijā

Saskaņā ar Planka misijas komandas datiem un pamatojoties uz kosmoloģijas standarta modeli, zināmā Visuma kopējā masa un enerģija satur 4,9% parastās matērijas, 26,8% tumšās matērijas un 68,3% tumšās enerģijas. Tādējādi tiek lēsts, ka tumšā matērija veido 84,5 % no kopējās Visuma matērijas, bet tumšā enerģija plus tumšā matērija veido 95,1 % no kopējā Visuma "materiāla". Šī sadalījuma dēļ tumšā matērija ir fundamentāla kosmosa struktūru veidošanā — tā kalpo par gravitācijas "skeletu", ap kuru sakrājas gāze un zvaigznes.

Īpašības un iespējamie veidi

Dažas no nozīmīgākajām īpašībām, ko piešķir tumšajai matērijai novērojumi un teorijas:

• Neizstaro elektromagnētisko starojumu: tā neemitē, neabsorbc un neizkliedē gaismu vai rentgena starus, tāpēc ir "tumša" teleskopiem.
• Interakcija galvenokārt gravitācija ceļā: novērojumi liecina, ka tumšā matērija mijiedarbojas ar parasto matēriju pārsvarā gravitācijas veidā; cita mijiedarbība, ja tāda ir, ir ļoti vāja.
• Vispārēji nekolizējoša (collisionless): klasiskie modeļi pieņem, ka tā neklumpējas kā gāze sadursmēs; tomēr ir pētījumi par iespēju, ka tumšai matērijai var būt neliela pašmijiedarbība.
• Ne-bārijiska vai daļēji bārijiska: lielākā daļa tumšās matērijas nevar būt no parastajām bārijiskajām daļiņām (piemēram, protoniem, neitroniem), jo novērojumi un Kodola sintēzes dati to ierobežo.

Potenciālie kandidāti teorijās ietver WIMP (vāji mijiedarbjošas masīvas daļiņas), aksionus, neitrīnu veida papildinājumus un citus eksotiskus elementus. Frazeoloģiski arī agrāk izskatītie MACHO (masīvi kompakti astrofiziski objekti) daļēji tika izslēgti vai ierobežoti ar mikrolēcu novērojumiem — tie nevar veidot visu nepieciešamo tumšās matērijas daudzumu.

Kā mēs mēģinām to atrast

Ir trīs galvenie pieejas veidi:

• Tiešā detekcija: zemes laboratorijas detektori meklē retas sadursmes starp tumšās matērijas daļiņām un kodoliem (piemēram, eksperimenti XENON, LUX, PandaX un citi). Rezultāti ir ierobežojoši — daudzi modeļi ir izslēgti, bet nav skaidras, neatkarīgas apstiprinātas aizķeršanās.
• Netiešā detekcija: astronomiskie novērojumi meklē produktus, ko varētu radīt tumšās matērijas anihilācija vai sabrukums (piemēram, gamma staru pārspriegumi, antiprotoni vai pozitroni). Šajos datos ir konstatēti dažādi signāli, kuriem var būt gan potenciāli nozīmīgas izskaidrojamas versijas, gan parastā astrofizikālo avotu skaidrojumi.
• Kolideru meklējumi: augstas enerģijas sadursmes (piemēram, LHC) meklē pazīmes par jauniem daļiņu veidiem vai par "trūkstošu enerģiju", kas var liecināt par daļiņām, kas neiteractē ar detektoru.

Alternatīvas un ierobežojumi

Ir arī alternatīvi paskaidrojumi, piemēram, moduificētās gravitācijas teorijas (piemēram, MOND), kas maina gravitācijas likumus, lai izskaidrotu rotācijas ātrumus bez tumšās matērijas. Tomēr šīs alternatīvas bieži neveicina visus novērojumu veidus vienlaicīgi (piemēram, CMB anomālijas, lielo struktūru veidošanos un Bullet Cluster tipa sadursmes), tāpēc dominējošais skatījums joprojām ir tumšās matērijas eksistence.

Nākotnes perspektīvas

Turpmākie mēģinājumi un novērojumi var sniegt skaidrāku atbildi: jaunākas tiešas detektoru tehnoloģijas, plašas debess skenēšanas programmas (piemēram, nākotnes misijas un projekti, kas pētīs lēcu efektus un galaktiku sadalījumu), kā arī augstas precizitātes kosmoloģiskie mērījumi (CMB, lielo struktūru pārskati) palīdzēs attīstīt vai atmest konkrētas teorijas. Jaunatklājumi pie LHC vai citos daļiņu fizikas eksperimentos arī var sniegt būtisku informāciju.

Kopumā tumšā matērija ir viena no lielākajām neatrisinātajām mīklām fizikā un kosmoloģijā: novērojumi skaidri norāda uz papildu masu un tās gravitācijas ietekmi, bet tās īstā daba joprojām nav tieši atklāta.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir tumšā matērija?

J: Kā zinātnieki uzskata, ka tumšā matērija eksistē?

J: Kādu procentuālo daļu Visumā veido tumšā matērija?

J: Kā mēs varam atklāt tumšo matēriju?

J: Ko 2006. gadā zinātnieku grupa apgalvoja, ka ir atraduši veidu, kā to noteikt?

J: Kādi piemēri liecina, ka mūsu Visumā ir tumšā viela?

Meklēt pēc burta