Tamsiosios medžiagos ir tamsiosios energijos paslaptys

Visata yra didžiulė ir sudėtinga erdvė, kupina paslapčių, kurios meta iššūkį mūsų suvokimui apie fiziką ir kosmologiją. Vienos didžiausių mokslo mįslių yra tamsioji medžiaga (eng. Dark matter)  ir tamsioji energija (ang. Dark energy) – du visatos komponentai, sudarantys didžiąją dalį jos masės ir energijos. 

Nors šios medžiagos nematomos ir sunkiai suprantamos, jų poveikis yra esminis formuojant visatos struktūrą ir dinamiką. Kas yra tamsioji medžiaga ir energija, jų įrodymai, galimos sudėtys bei vykdomi moksliniai tyrimai.

Kas yra tamsioji medžiaga?

Tamsioji medžiaga – tai nematoma materijos forma, kuri neskleidžia, nesugeria ir neatspindi šviesos. Ji sudaro apie 27% visatos masės ir energijos. Nors tiesiogiai stebėti šios medžiagos neįmanoma, jos buvimą patvirtina gravitacinis poveikis, darantis įtaką matomai materijai, tokiems objektams kaip galaktikos, žvaigždės ar galaktikų spiečiai. Be tamsiosios medžiagos, visatos struktūros, kaip galaktikų formavimasis ar judėjimas, būtų nepaaiškinamos.

Tamsiosios medžiagos įrodymai

Galaktikų sukimosi kreivės.

Stebint galaktikų sukimosi greičius, pastebėta, kad išoriniai regionai juda daug greičiau, nei galėtų pagal vien tik matomą materiją. Pagal Niutono fizikos dėsnius, žvaigždžių greitis turėtų mažėti didėjant atstumui nuo galaktikos centro, tačiau taip nevyksta. Šis neatitikimas leidžia manyti, kad galaktikų gravitacijai daro įtaką papildoma, nematoma masė – tamsioji medžiaga.

Gravitacinis lęšiavimas.

Šviesa, sklindanti iš tolimų galaktikų, išlinksta dėl masyvių objektų gravitacijos, vadinamos gravitaciniu lęšiavimu. Šio išlinkimo mastas leidžia apskaičiuoti objekto masę. Tačiau dažnai matomos masės neužtenka paaiškinti šį poveikį. Šis neatitikimas rodo, kad gravitacinį poveikį daro ir nematoma tamsioji medžiaga.

Kosminis mikrobangų fonas (CMB- Cosmic Microwave Background ).

Didžiojo sprogimo likusi spinduliuotė – kosminis mikrobangų fonas – suteikia duomenų apie ankstyvąją visatą. CMB matavimai atskleidžia materijos tankio svyravimus, kurie yra suderinami su tamsiosios medžiagos buvimu šalia matomosios.

Iš ko sudaryta tamsioji medžiaga?

Tamsiosios medžiagos sudėtis vis dar yra viena didžiausių neišspręstų šiuolaikinės fizikos mįslių. Mokslininkai svarsto kelias pagrindines hipotezes:

1. Silpnai sąveikaujančios masyvios dalelės (WIMPs – weakly interacting massive particles). Šios hipotetinės dalelės turėtų didelę masę, tačiau silpnai sąveikautų su įprasta materija.
2. Aksionai. Tai mažos masės dalelės, kurios taip pat gali būti tamsiosios medžiagos kandidatai.
3. Modifikuota gravitacija. Kai kurie mokslininkai kelia hipotezę, kad vietoje tamsiosios medžiagos egzistavimo galėtų būti koreguojamos gravitacijos teorijos, tačiau ši idėja dar nėra plačiai pripažinta.

Nepaisant pastangų, tamsiosios medžiagos dalelių tiesiogiai aptikti dar nepavyko.

Kas yra tamsioji energija?

Tamsioji energija – tai paslaptinga jėga, kuri lemia greitėjantį visatos plėtimąsi. Ji sudaro net 68% visatos masės ir energijos. Skirtingai nei tamsioji medžiaga, kuri gravitacijos jėga traukia objektus, tamsioji energija veikia atvirkščiai – stumia galaktikas viena nuo kitos, skatinant visatos plėtimąsi.

Tamsiosios energijos įrodymai

Supernovų stebėjimai.

1990-aisiais astronomai tyrė Ia tipo supernovas – objektus, naudojamus kaip standartinius kosminių atstumų matuoklius. Šie stebėjimai atskleidė, kad visatos plėtimasis ne tik vyksta, bet ir greitėja. Tai leido daryti išvadą apie egzistuojančią paslaptingą jėgą – tamsiąją energiją.

Galaktikų pasiskirstymas.

Galaktikų išsidėstymas didelėje visatos struktūroje taip pat suteikia įrodymų apie tamsiąją energiją. Skaičiavimai, apimantys tamsiąją energiją, geriau paaiškina galaktikų sankaupų formavimąsi ir judėjimą.

Kosminio mikrobangų fono analizė.

CMB spinduliuotė, be tamsiosios medžiagos įrodymų, taip pat atskleidžia tamsiosios energijos buvimą. Fluktuacijų dydis ir pasiskirstymas padeda nustatyti tamsiosios energijos tankį visatoje.

Tamsiosios energijos prigimtis

Viena populiariausių hipotezių – kosmologinė konstanta, kurią Einšteinas įvedė bendrosios reliatyvumo teorijoje. Ši konstanta apibūdina vienodą energijos tankį, kuris užpildo visatą. Tačiau egzistuoja ir kitos teorijos, siūlančios, kad tamsioji energija gali kisti laikui bėgant ar erdvėje, kas reikštų dar sudėtingesnę kosmoso dinamiką.

Tamsiosios medžiagos ir energijos poveikis visatai

Tamsioji medžiaga ir energija yra pagrindinės visatos struktūros ir evoliucijos dalys. Jos ne tik formuoja galaktikų judėjimą ir plitimą, bet ir lemia galutinę visatos lemtį.

Visatos likimas

Tamsioji energija gali nulemti kelis galimus scenarijus:

1. Didysis sušalimas. Jei visatos plėtimasis tęsis amžinai, galaktikos nutols, žvaigždės užges, ir visata taps šalta bei tamsi.
2. Didysis sutraukimas. Jei gravitacija pradėtų dominuoti, visata galėtų trauktis, galiausiai žlugti į singuliarumą. Tačiau dabartiniai duomenys rodo, kad greitėjantis plėtimasis daro „Didįjį sušalimą“ tikėtinesniu scenarijumi.

Tyrimai ir ateities perspektyvos

Mokslininkai visame pasaulyje intensyviai tiria šias dvi paslaptis.

Tamsiosios medžiagos tyrimai.

Eksperimentai, kaip LUX ar CRESST, ieško tamsiosios medžiagos dalelių tiesiogiai, o greitintuvai, tokie kaip Didysis hadronų greitintuvas (LHC), bando aptikti potencialias daleles.

Tamsiosios energijos tyrimai.

Astronomai vykdo projektus, tokius kaip „Dark Energy Survey“ ar „Euclid“, kurie tiria galaktikų išsidėstymą ir raudonąjį poslinkį. Ateities misijos, kaip Vera Rubin observatorijos tyrimai, dar labiau padidins žinias.

Tamsioji medžiaga ir tamsioji energija yra vienos iš didžiausių mokslinių paslapčių. Jos ne tik atskleidžia visatos sandarą, bet ir praplečia fizikos ribas. Tolesni tyrimai bei tarptautinis bendradarbiavimas gali atnešti naujus atradimus ir suteikti atsakymus į fundamentalius klausimus apie kosmosą ir mūsų vietą jame.