Veliki prasak, 6.dio: Tamna tvar
Promatranja Fritza Zwickyja godine 1933., i kasnije Vere Rubin, pokazuju da su gravitacijske sile galaktika nedvojbeno izložene utjecaju neke neodredive i nevidljive tvari čija masa uvelike nadilazi masu galaktika. Evo na koji se način došlo do dokaza te činjenice.
Prema postavkama Einsteinove teorije relativnosti, svemir (prostor – vrijeme) se pod utjecajem materije zakrivljuje: veća masa – veće zakrivljenje. Stoga je jedan od prvih testova opće teorije bilo mjerenje načina na koji Sunce savija zrake svjetlosti sa dalekih zvijezda tokom potpune pomrčine 1919. godine. Danas smo pak u mogućnosti da promatramo način na koji galaktike ili jata galaktika savijaju svjetlost koja dolazi iz udaljenih krajeva svemira. Analizom jačine savijanja te svjetlosti na svim dosad proučenim promatranjima pokazalo se da jata galaktika uključena u proces fokusiranja svjetlosti ne mogu proizvesti tako veliko povećanje i izobličenje slike galaktike s koje je svjetlost potekla ako ne sadrže najmanje deset puta više mase od vidljive mase sjajnih zvijezda u njima; tj. dokazalo se da najmanje 90% tvari u svemiru čini nepoznata i neodrediva tvar, koju ćemo zvati tamna tvar.
Drugi dokaz za postojanje ove nepoznate materije pronalazimo u načinu kretanja zvijezda u galaktikama i kretanju galaktika samih. Pomoću Dopplerova efekta u mogućnosti smo da izmjerimo brzinu kretanja različitih dijelova galaktike. Tako se pokazalo da se galaktike slične Mliječnoj stazi okreću različito od načina vrtnje planeta oko Sunca. Dok se planete okreću oko Sunca to manjim brzinama što su udaljenije od njega (kao centra gravitacijskog polja), zvijezde se u galaktikama okreću jednakim brzinama bez obzira koliko su daleko od centra. Jedini način da se objasni ova činjenica jest pretpostavka da se sva svijetla tvar galaktike nalazi uklopljena u čvrsti gravitacijski zagrljaj većeg tamnog haloa. U galaktikama poput naše, tamne tvari ima prema mnogim dokazima do deset puta više negoli materije u obliku svijetlih zvijezda. Ta tamna tvar nakuplja se i stvara golemu kozmičku konstrukciju. Danas se smatra da je ta mreža kozmičke tamne tvari zapravo skrivena arhitektura svemira, jer galaktike su se oblikovale upravo na najgušćim mjestima te mrežolike strukture, a tamna tvar ih svojom gravitacijom nastavlja zadržavati na tim mjestima. Ta tvar je odgovorna za raspored svega što vidimo na nebu. Stoga se danas sve više intenzivira potraga za njenim identitetom.
U potragu za tim identitetom uključila se najprije, naravno, fizika čestica. Modeli fizike čestica predviđaju i mogućnost postojanja drugih obitelji čestica, i prema njima mogu postojati dvije vrste zasad nepoznatih čestica, stvorenih u velikom prasku. Prva vrsta hipotetske tamne tvari sastoji se od vrlo lakih čestica, čak lakših i od elektrona, nastalih u velikom prasku. One putuju brzinom bliskom brzini svjetlosti. Nazivamo ih 'vruća tamna tvar' i pretpostavljamo da je u svemiru nema mnogo, jer bi te brze čestice razorile svaki ustroj koji bi pokušao nastati u ranom svemiru, a previše te tvari onemogućilo bi stvaranje galaktika.
Način na koji možemo dokazati čestice te tamne tvari jest njihovo izravno traženje, odnosno detektiranje. Takvi eksperimenti vrše se danas u dubini zemlje jer su tu najzaštićeniji od mogućih interferencija, a jedan takav eksperiment je onaj već spomenuti CERN-ov, koji je još u tijeku. Jedna teorija koja pokušava objasniti tu egzotičnu materiju jest tzv. supersimetrija. Ona tvrdi da je svaka elementarna čestica u ranom svemiru imala svoj mnogo masivniji parnjak. Tako je elektron možda imao svog snažnog većeg brata, kojeg fizičari zovu selektron, mion je imao smiona, kvark skvarka itd. Pretpostavlja se da mnogi od tih parnjaka su nestabilni, no jedna vrsta je možda bila dovoljno stabilna da opstane od početka svijeta. Te čestice, koje možda upravo struje sada kroz naše tijelo bez međudjelovanja, mogle bi činiti tamnu tvar. Takvom česticom mogao bi biti upravo Higgsov bozon, čija je detekcija temeljni zadatak velikog hadronskog sudarača u eksperimentu koji se upravo provodi.
Na kraju, testiranje tamne tvari možemo provesti i proučavajući svemir u cjelini, jer je ona potrebna – kako je već napomenuto – kao ona koja omogućuje nastanak galaktika. (Kad bi se u svemiru nalazili samo barioni i kada bi gustoća svemira bila samo 5% kritične gustoće, tj. omega = 0.05, galaktike i jata galaktika kakve danas vidimo ne bi se mogle stvoriti u vremenu proteklom nakon Velikog praska.) Međutim, stvari s tim nisu nimalo završene i ova slika svemira ovako ispunjenog tamnom tvari nastala u 1990-ima naišla je na dopunjavanja koncem 20. i početkom 21. stoljeća (o čemu ćemo kasnije govoriti).
Franjo Šarčević, 04-09
Nastavak narednog ponedjeljka
Prethodno: Veliki prasak, 5.dio: Filozofija prostor-vremena