Astronomi su još uvijek u ranoj fazi kada je riječ o pitanjima koja se tiču prirode i svojstava tamne tvari.
Teorija o postojanju ove tvari bila jeiznio prije više od 40 godina kao objašnjenje za neslaganje između mase svih vidljivih objekata u galaksiji i mase same galaksije. Astronom Vera Rubin, koja je prva otkrila odstupanje, utvrdila je da je ova nevidljiva tvar izuzetno česta i da čini većinu Svemira. Danas ovu tvar poznajemo kao tamnu tvar.
Vera Rubin. Fotografija: Carnegie Institution for Science / carnegiescience.edu
Iako astronomi imaju najmanje triDokazi da tamna tvar postoji, niti jedan pokušaj otkrivanja izravnih dokaza o njegovom postojanju i utvrđivanju njegovih svojstava nije bio uspješan.
Međutim, rad znanstvenika sa Sveučilišta Yale una čelu s Peterom van Dokkumom, objavljenim u časopisu Nature u ožujku 2018., znanstvenici su više nego ikada doveli znanstvenike bliže pronalaženju još jednog dokaza o postojanju ove tvari.
Što astronomi znaju o tamnoj tvari?
Tamna tvar je tvar koja nijeu interakciji s drugim pitanjima pomoću elektromagnetskih (EM) ili jakih nuklearnih sila. Odsustvo elektromagnetskih interakcija znači da ne može emitirati, apsorbirati, odbijati, lomiti ili difuzno svjetlo. To ga, naravno, čini prilično složenim predmetom promatranja. Međutim, oko 85% svih tvari u svemiru je tamna tvar.
Do sada, znanstvenici nemaju praktičnih dokaza da tamna tvar stvarno postoji, ali postoji teoretski. Ovdje su tri glavne.
Galaktičke krivulje rotacije
Kada se jedan objekt vrti oko drugog,objekt u orbiti mora se konstantno ubrzavati do središnjeg (ili, točnije, oboje ubrzava do svog kombiniranog središta mase). Bez tog ubrzanja, orbitalno tijelo će jednostavno odletjeti.
Što se brže kreće orbitalno tijelopotrebno je više ubrzanja da bi se zadržala u orbiti. Budući da je u ovom slučaju ubrzanje posljedica gravitacije, to znači da središnja masa mora biti veća.
To znanje omogućuje znanstvenicima "vaganje" različitihdijelova galaksije, kao i mjerenje brzine vrtnje, uspoređujući crvene pomake na prilaznim i povlačnim stranama galaksije. Kada ponderiraju, astronomi vide neslaganje između mase svih objekata u galaksiji i njene ukupne mase.
crveni pomak— pomak spektralnih linija kemijskih elemenatana crvenu (dugu valnu duljinu) stranu. Ovaj fenomen može biti izraz slabog difuznog raspršenja, Dopplerovog efekta ili gravitacijskog crvenog pomaka ili njihove kombinacije. Pomak spektralnih linija u spektrima nebeskih tijela prvi je opisao francuski fizičar Hippolyte Fizeau 1848. godine i za objašnjenje pomaka predložio Dopplerov efekt uzrokovan radijalnom brzinom zvijezde.
Gravitacijska leća
Prema općoj teoriji relativnosti, bilo kojavrijeme koje prolazi kroz gravitacijsko polje je malo iskrivljeno. Djeluje kao gravitacijska leća i može proizvesti, na primjer, "Einsteinove prstenove", kao na slici ispod.
Einsteinova opća teorija relativnostida gravitacija tako velikog svemirskog objekta kao galaksija savija prostor oko njega i skreće zrake svjetlosti. Kada se to dogodi, iskrivljena slika druge galaksije - izvor svjetlosti.
"Einsteinov prsten" na gornjoj slici jeiskrivljena slika jedne galaksije (označena je plavom bojom), smještena iza druge (crvene) galaksije u sredini. Svjetlost od plave boje širi se u svim smjerovima, ali se savija gravitacijom crvene galaksije. To znači da svjetlost, koja je, na primjer, izvorno bila usmjerena izravno na Zemlju, nikada neće doseći naš planet - za razliku od svjetla koje je imalo drugačiji smjer, ali je iskrivljeno objektivom i nastavlja kao da je iz svih smjerova odjednom. Ovaj proces objašnjava izgled prstena.
U slabim gravitacijskim lećama, statističkianaliziranje distorzija u svjetlosti koju primamo omogućuje nam da "primijetimo" gravitacijsko polje između Zemlje i udaljenih galaksija. Često postoji više mase - a time i više materije - u ovom polju nego što znanstvenici mogu objasniti.
Primjer gravitacijske leće, koja sa stajališta postojeće teorije dokazuje prisutnost tamne tvari, je fotografija galaktičkog skupa Bullet, koji se nalazi u zviježđu Carina.
Slika prikazuje posljedice sudara dviju galaksija. Crveno na slici prikazuje područja vidljive tvari, a plavo prikazuje tamnu tvar čija se prisutnost utvrđuje gravitacijskim lećama.
Ova razlika je zbog činjenice daVećina luminozne tvari u skupini galaksija nalazi se u intraklastičnom mediju - u vrućoj, gustoj plazmi. Kada se dijelovi plazme sudaraju jedan s drugim, značajna količina tvari usporava i ostaje u sredini. Ali tamna tvar slabo stupa u interakciju s tvari, pa njezine komponente iz dvaju nakupina mogu slobodno prolaziti jedna s drugom - to dovodi do odvajanja prikazanog na fotografiji.
Relicijsko zračenje
Tijekom prvih nekoliko stotina tisuća godina nakonU Velikom prasku, svemir je bio dovoljno vruć da postane visoko ioniziran. To ju je privremeno učinilo gotovo neprozirnom za svjetlost - fotoni su rotirali kao i svaka druga čestica. Međutim, kada su se stvari dovoljno ohladile, značajne količine protona i elektrona spojile su se u neutralni vodik, koji je postao dovoljno proziran za većinu svjetla koje ga okružuje. Taj se proces dogodio prilično brzo (u smislu kozmološkog vremena) - kao rezultat, sva svjetlost sadržana u svemiru, relativno govoreći, iznenada je ispuštena van, napravivši snimku u toj fazi njegove evolucije. Ovo je pojednostavljeni način za opisivanje kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja.
Znanstvenici mogu detektirati ovo svjetlousmjerite radioteleskop u bilo kojem smjeru, a ovisno o području promatranja temperatura će se malo mijenjati. Razlika u temperaturi objašnjava se prisutnošću ili odsutnošću tamne tvari u ovom području.
Što je neuobičajeno u prvoj galaksiji?
DF2 je galaksija koja je dio velike grupena čelu s masivnom eliptičnom galaksijom NGC 1052. Galaksija je privukla pozornost znanstvenika jer je izgledala drugačije na fotografijama koje su snimili Dragonfly and Sloan Digital Sky Survey (SDSS). U prvom je galaksija izgledala kao mrlja slabašnog svjetla, dok je u drugom bila skupina točkastih objekata.
Na temelju ovih zapažanja znanstvenici predvođeniPeter van Dokkum identificirao je deset globularnih klastera (velikih skupina starih zvijezda) unutar galaksije i otkrio da se kreću tri puta sporije nego da ima puno tamne tvari. Činjenica je da kada bi masa galaksije bila veća od mase vidljivih objekata, klasteri bi se brže okretali.
Znanstvena zajednica kritički je ocijenila publikaciju— pogreška istraživača bila je u tome što su promatrali samo deset grozdova i to samo dvije noći. Skeptici su vjerovali da su znanstvenici možda previdjeli ključne detalje o kretanju zvjezdanih jata, što je rezultiralo iskrivljenjem njihovih procjena mase galaksije i vidljive materije.
A u drugom?
Jedini način da se dokaže njihova ispravnostPromatranje je traganje za drugom galaksijom koja bi sadržavala minimalnu količinu tamne tvari - au ožujku 2019. takva galaksija je otkrivena.
Istraživači su objavili dva znanstvena članka - uOni su prvi ponovno izmjerili masu DF2 pomoću Hubbleove napredne kamere i 10-metarskog teleskopa na Keck Observatoriju na Havajima. Ovaj put astronomi su promatrali ne samo brzinu kretanja klastera, već i brzinu rotacije zvijezda unutar njih. Kao rezultat toga, znanstvenici su ustanovili da je DF2 prozirna ultra-difuzna galaksija, čija je veličina približno jednaka Mliječnoj stazi. Samo što je u njemu bilo oko 200 puta manje zvijezda.
Drugi članak posvećen je otkriću takvog člankaDF2 galaksije - DF4, koje se nalaze u istom clusteru u blizini galaksije NGC 1052. Istraživači vjeruju da, najprije, galaksije s minimalnom količinom tamne tvari nisu neuobičajene, i drugo, da velika galaksija može "ukrasti" od svojih manjih susjeda.
Kako odsutnost tamne tvari može biti dokaz njezina postojanja?
Razumjeti izjavu da odsustvo mrakamaterija u dvije galaksije potvrđuje svoju prisutnost u svemiru u skladu s Općom teorijom relativnosti, vrijedi razmotriti kritiku ideje o prisutnosti tamne tvari.
Neki se znanstvenici ne slažu s time u svemirutu je tamna tvar, a teorijski dokazi o njezinoj prisutnosti pripisuju se takozvanoj modificiranoj newtonovskoj dinamici (MOND). Ova alternativna teorija kaže da gravitacija na kozmičkoj skali ne funkcionira onako kako su to predvidjeli Isaac Newton ili Albert Einstein. To znači da Opća teorija relativnosti na kojoj se grade teorije o postojanju tamne tvari ne djeluje u slučaju galaksija.
Na primjer, teorijski fizičar Erik Verlinde izSveučilište u Amsterdamu objavilo je 2016. znanstveni rad koji je ispitivao gravitaciju kao nusprodukt kvantnih interakcija i sugerirao da je dodatna gravitacija koja se pripisuje tamnoj tvari učinak tamne energije – pozadinske energije utkane u tkivo prostor-vremena Svemira.
Drugim riječima, Verlinde smatra da tamna materija nije materija, već samo interakcija između obične materije i tamne energije.
Otkriće znanstvenika sa Sveučilišta Yalepokazuje da se tamna tvar može odvojiti od obične materije, pod uvjetom da se obje otkrivene galaksije ponašaju u skladu sa standardnom teorijom gravitacije. To jest, procesi koji se u njima odvijaju mogu se objasniti pomoću jednadžbi koje su otkrili Newton i Kepler.
Koja su pitanja
Otkriće astronoma, ako bude uspješnokonačno potvrđen kroz buduća opažanja, dovodi u pitanje postojeću teoriju o formiranju galaksija. Konkretno, govorimo o pretpostavci da bi veći NGC 1052 mogao "ukrasti" tamnu tvar iz DF2 i DF4. Ako je to uistinu moguće, pod uvjetom da se očuva poredak koji se promatra u obje promatrane galaksije, tada će astronomi morati potpuno preispitati mehanizam njihova nastanka i postojanja.
"Nadamo se da ćemo otkriti koliko je uobičajenote galaksije i postoje li u drugim dijelovima svemira. Želimo pronaći više dokaza koji će nam pomoći da shvatimo kako su njihova svojstva konzistentna ili nisu u skladu s našim trenutnim teorijama. Nadamo se da će nam to omogućiti još jedan korak u razumijevanju jedne od najvećih tajni našeg svemira - prirode tamne materije - rekao je Dokkum u razgovoru s astronomijom.