Sötét anyagot keresnek a Földön, a föld alatt és az űrben. Titokzatos részecskéi láthatatlanok a tudományos eszközök számára, és sehol sem jelentkeznek. Azonban szilárd „bizonyítékalapot” gyűjtöttek létük érdekében. Van-e esélyük a tudósoknak arra, hogy valaha is felfedezzék a sötét anyagot?
Az univerzum kulcsfontosságú eleme
A sötét anyag részecskéi nem sokkal az Ősrobbanás után születtek, amikor az univerzum vörös forró plazma volt. Hűlésük során csomókat képeztek, amelyek végül csillagok és galaxisok megjelenését szolgáltatták. Ha a plazma csak az atomokat alkotó közönséges részecskéket tartalmazna, akkor a sugárzás taszítaná őket egymástól, nem engedve, hogy bármilyen szerkezetet alkossanak. A gravitációval kötött tárgyak elég gyorsan megjelentek, ami azt jelenti, hogy valami segített rajtuk. Valami hatalmas anyag visszatartotta őket. Most semmilyen módon nem lép kölcsönhatásba a hétköznapi anyaggal, nem sugárzik, ezért semmilyen módszerrel nem figyeljük meg.
Így rekonstruálják a tudósok az Univerzum evolúcióját, amely hiányos lenne a sötét anyag részvétele nélkül. Erre a következtetésre az 1930-as években jutott Fritz Zwicky svájci csillagász. A galaxishalmazokat tanulmányozva azon tűnődött, miért nem szóródnak szét. Végül is a látható galaxisok tömege nem elegendő a klaszter megtartásához. Ezért rejtett tömegnek kell lennie. Később ez a hipotézis számos megerősítést talált a galaxisok forgási sebességének anomáliáiról: a korongok középpontjától távol eső részei alig lassulnak le, mint akkor, ha csak csillagokból állnak.
A gravitációs lencse lehetővé teszi a rejtett tömeg jelenlétének közvetett detektálását. Ezt a hatást két hatalmas galaxis hozza létre, amelyek egymás mögött helyezkednek el. Egy távoli galaxis fényét a közeli gravitációs mezője hajlítja, és mint egy lencsében, annak képe is megjelenik. Ez némi betekintést nyújt a galaxisok sötét anyagába, hatalmas, láthatatlan glóriát képezve körülöttük. Különböző modellek felhasználásával a tudósok kiszámítják a sötét anyag sűrűségeloszlását a glóriában, és ennek alapján találgatásokat tesznek a szerkezetre vonatkozóan.
Bal oldalon - a sötét anyag glóriája az NGC 4555 galaxisban.
Promóciós videó:
Sötét anyag összetétele
A fizikusok hajlamosak azt hinni, hogy a sötét anyag számunkra ismeretlen részecskékből áll.
„Az asztrofizikai megfigyelési módszerek nem mondanak semmit tulajdonságaikról. Lehetséges, hogy semmilyen módon nem lépnek kapcsolatba, kivéve a gravitációs módszert. Talán sem a Földön végzett közvetlen kísérletek, sem az űrben végzett megfigyelések nem vezetnek semmihez. Ezt mindig szem előtt kell tartani”- mondja Dmitrij Gorbunov, az Orosz Tudományos Akadémia levelező tagja, az Orosz Tudományos Akadémia Nukleáris Kutatási Intézetének vezető kutatója a RIA Novosti számára.
A sötét részecskék szerepére az ultrakönnyű tengelyek, a gyengén kölcsönhatásban lévő részecskék (WIMP) és a steril neutrínók tartoznak, amelyek segítenek megmagyarázni a nap neutrínóinak tömegét és oszcillációját.
„A legkönnyebb steril neutrino a sötét anyag részecskéje lehet. Nem stabil, de nagyon sokáig él. A Galaxisban az ilyen részecskéknek neutrínókká és fotonokká kell bomlaniuk. Lassan forognak (a fénysebesség 10-3-szorosa), ezért a fotonspektrumban várható a csúcs a röntgensugár tartományában”- mondja a tudós.
Szerinte egy jó spektrométert kell pályára küldeni, hogy megpróbálja regisztrálni az ilyen eseményeket.
Két évvel ezelőtt Gorbunov és munkatársai modellezték az egyik hipotézist a sötét anyag instabil komponenséről, hogy megmagyarázzák a CMB-t mérő Planck űrtávcső kísérlet eredményeinek eltérését. Talán ez hiba volt, vagy talán a sötét anyag valamilyen tulajdonságának a jelzése. A tudósok szerint a sötét anyag összetétele heterogén, és egy része a mai napig nem maradt fenn.
Sötét részecskék keresése
A sötét anyag részecskéinek megragadása a fizika egyik kulcskérdése. Sok teoretikus és kísérletező megpróbálja megválaszolni. A megfigyelés módja attól a modelltől függ, amelyben a hipotetikus részecske összes tulajdonságát lefektetik. Ha azt feltételezzük, hogy a sötét anyag egyensúlyban volt a korai világegyetem plazmájában - és voltak rendes részecskék is -, az azt jelenti, hogy valahogy kölcsönhatásba lép velük. Az összes ismert kölcsönhatás-típus közül a gravitációs kivételével a legalkalmasabb a gyenge, amely egy atommag béta-bomlása során következik be.
"E feltételezés szerint az elsődleges plazma lehűlése után a szükséges mennyiségű sötét anyag megmarad" - magyarázza Dmitrij Gorbunov.
Ennek alapján a sötét részecskék elpusztulhatnak egy elektron és egy pozitron képződésével. Ezeknek a megsemmisítéseknek a nyomát keresik, de ez mindenesetre közvetett bizonyíték. Ezenkívül az eredmények meglehetősen homályosak, a részecskék elhajlanak, a Galaxis körül repülnek, megsemmisítik, energiát veszítenek, és ami a Földre jut, a kozmikus sugarak hátterében nehéz megkülönböztetni.
A sötét részecskéket közvetlenül a neutrínókat regisztráló földalatti detektorokban próbálják megfigyelni. A föld alatt a légköri részecskék háttere csökken, a detektor anyag lehűl, és meg kell várni, amíg egy sötét anyag részecske eléri. Ezek az események önmagukban ritkák, mert ha egy részecske kölcsönhatásba lép, akkor az gyenge. A becsapódás az atom gerjesztését és az energia kitörését okozza, amelyet a detektor rögzít.
Ugyanakkor lehetetlen fokozatosan növelni a detektor anyag térfogatát annak érdekében, hogy az érzékenység csökkenése nélkül növelje a sötét részecskék átjutásának valószínűségét. Ezenkívül a neutrínók zavarják a jelet. Ennek kikapcsolásához lehet, hogy egy teljesen új érzékelőt kell építenie ahhoz, hogy e jel alá kerüljön.
„Használni kell a részecske ütközésének irányát. Ez jelentősen elnyomja a hátteret, mert a neutrínók a Nap irányába repülnek, a sötét anyag pedig más irányba csap le”- pontosítja a tudós.
A harmadik irány egy sötét anyag részecske létrehozása a hétköznapi részecskék ütközésének eredményeként az LHC-nél és más gyorsítóknál. A megfigyelő számára úgy néz ki, mint például egy foton, amely elrepül az oldalra. A lendület megőrzésének törvénye szerint egy részecskének is ki kellene repülnie a másik irányba, de nincs. Tehát láthatatlan.
Eddig a sötét anyag részecskék befogásának egyik módja sem volt sikeres. Még az sem világos, hogy melyikük a legígéretesebb.
Az univerzum összetétele / RIA Novosti illusztrációja.
Tatiana Pichugina