Jedna BBC-jeva televizijska serija čije emitiranje je ovih dana započelo na HRT-u (Svemir Stephena Hawkinga), nekoliko zapaženih popularnih članaka (NewScientist i Scientific American), i posjet dvojice kolega s IRB-a, tragača za egzotičnim česticama - aksionima (za što im trebaju koherentni fotoni), našem laserskom laboratoriju na IFS-u, povod su za ovaj napis. Tamna tvar povezuje sva tri navedena događaja.

Prije nekoliko desetaka godina astronomi su, promatrajući rotaciju naše galaksije, posebno objekata na njenim rubovima, došli do zaključka da gravitacija mora biti puno jača nego što se dotad pretpostavljalo na temelju procjene mase vidljivih astronomskih objekata. To se može objasniti samo postojanjem tvari koja je praktički nevidljiva (ne zrači elektromagnetsko zračenje). Pojavile su se dvije teorije: o MACHO-ima (engl. MAssive Compact Halo Objects) zvijezdama preslabašnim da bi se vidjele (smeđi patuljci) i WIMPovima (Weakly Interactive Massive Particles), egzotičnim česticama koje gotovo da ne međudjeluju s okolinom.

Za opažanje masivnih tamnih objekata (to mogu biti i planeti) koristi se efekt gravitacijske mikroleće koji je predvidio Einstein još 1936. godine. Ako promatramo udaljen svijetleći astro objekt može se desiti (s vjerojatnošću 1 u 1000000) da između nas i njega prođe masivni tamni objekt. Gravitacija tog objekta skrenut će putanju svjetlosti i stvoriti dvostruku sliku promatranog objekta. Nažalost današnji teleskopi nisu u stanju razlučiti tu dvostruku sliku, ali je moguće opaziti pojačanje u ukupnom intenzitetu svjetlosti, iz čega se može odgonetnuti masa nepoznatog svemirskog tijela. Problem je u tome što neprestano treba promatrati miljune zvijezda, što je moguće tek današnjim detektorima i kompjuterima. Prvi MACHO događaji opaženi su tek 1993. godine. U pet godina prikupljeno je mnogo podataka i vode se velike kampanje (npr. MACHO ili EROS ), čak i uz pomoć Interneta, za njihovo opažanje. No ispostavlja se da su opaženi MACHO objekti preteški da bi objasnili tamnu tvar koja nedostaje u našoj Galaksiji. Prije svega nekoliko mjeseci pojavili su se novi radovi (Zaritski) koji ukazuju na nužnost postojanja neke puno egzotičnije tamne tvari (vidi NewScientist i Sci. American). Jedan tip materije koji je nevidljiv već je poznat. To su neutrini, no oni iako izgleda da imaju masu (pogledajte ovdje), ne odgovaraju jer su prebrzi da bi mogli biti uhvaćeni gravitacijom galaksija. Sljedeći kandidat su aksioni, hipotetske čestice koje međudjeluju samo putem slabe nuklearne sile. U principu aksioni u jakom magnetskom polju mogu biti pretvoreni u mikrovalne fotone i tako detektirani ( pogledajte ovdje). Nekoliko vodećih svjetskih laboratorija u suradnji (pogledajte ovdje) izgradilo je detektor kojim pokušavaju odrediti masu aksiona. Predviđa se da će biti potrebno još pet godina ispitivanja da bi se moglo utvrditi jesu li aksioni dobar kandidat za tamnu tvar. Tu pobornici WIMPova dolaze na svoje. WIMPsovi su hipotetske čestice proizašle iz teorije stvorene da poboljša Standardni model elementranih čestica. U toj teoriji svaka danas poznata čestica ima svog puno težeg "super-partnera", kvarkovi skvarkove, elektroni selektrone, fotoni fotine itd. Barem jedna od njih, neutralino (najlakši super-partner) strebala bi biti stabilna. Nekoliko je grupa istraživača izgradilo detektore u izoliranim podzemnim laboratorijima. Jedna od grupa koja radi u Grand Sasso Laboratoriju u Italiji nedavno je objavila postojanje indikacije da su detektirali WIMP-a. Još je vjerojatno dug put do konačnog dokaza. Uskoro bit će moguć i puno direktniji način opažanja WIMP-ova, u "Large Hadron Colideru ", akceleratoru koji se gradi u CERN-u.

Slika preuzeta s http://universe.gsfc.nasa.gov/galleries/DarkMatter.html
dobivena je superpozicijom optičke slike i slike X-zraka grupe galaksija. Označen crvenom bojom je zgusnuti vrući plin koji pruža dokaz da je gravitacija grupe galaksija veća nego što bi to dao zbroj pojedinačnih galaksija. Taj višak gravitacije se pripisuje tamnoj tvari.  

 

No to nije sve, jedan od najvažnijih događaja u fizici 1998. godine ( vidi ovdje) je i saznanje da se širenje Svemira zapravo ubrzava a ne usporava kako se dosad smatralo. To ponovo aktualizira koncept kozmološke konstante sadržane u Einsteinovim gravitacijskim jednadžbama, koja opisuje uskladištenu energiju skrivenu u univerzalnom vakuumu (takozvanom praznom prostoru koji je ispunjen elementranim česticama koje nastaju i nestaju prebrzo da bi se mogle direktno opaziti). Kozmološka tamna tvar mogla bi činiti 60% ukupne tamne tvari (vidi Sci. American str. 36).

Očito se u kozmologiji dešavaju burne promjene, zato je od HTV-a vrlo lijepo što emitira BBC-jevu seriju "Svemir Stephena Hawkinga" (Subotom oko 22.00 (uvijek par minuta ranije nego što piše u novinama!)). I Internet tu daje svoj obol site-om koji detaljano opisuje seriju, i još i više. Pogledajte svakako ovdje

O tamnoj tvari bit će posebno govora u četvrtom nastavku - Na tamnoj strani (On the Dark Side). Pitanje je samo da li sve tvrdnje iz serije još stoje jer je snimana 1997. godine! Zato oprez.

U nas problemima egzotičnih čestica bavi se grupa Dr. Ante Ljubičića na IRB-u na projektu Fizika elementarnih čestica izvan standardnog modela.

Za pregled toga što se radi u svijetu na potrazi za WIMPovima svakako treba otići na CERN.

Procjenjuje se da tamna tvar čini 50 do 95% totalne mase Mliječne staze a još nema pravih odgovora što je to. Tamna tvar ostaje najvećom nepoznanicom za treće tisućljeće, čije objašnjenje će štošta promijeniti, prije svega Big Bang teoriju koja očito ima nedostataka. Jesu li možda WIMPovi svuda oko nas? Mogu li se egzotične čestice stvoriti i u eksperimentima koji su manje skupi od onih u CERN-u pokraj Geneve, MIT-ju , Fermilabu pokraj Chicaga, Livermoreu u Californiji? Možda u Zagrebu?

Još o tamnoj tvari ovdje
Više o mikrolensingu ovdje
Više o česticama tamne tvari ovdje
Više o Standardnom modelu ovdje
Vijest o Svemiru koji traje zauvijek ovdje
Special Report: Revolution in Cosmology, Scientific American January 1999, p. 27-41.
Stephen Battersby, Space oddity NewScientist 16 January 1999, p.24-28.

Pripremio: Dr. Slobodan Milošević , Institut za fiziku, Zagreb, siječanj 1999.