Tamna strana univerzuma – Deo 2.

U novom nastavku kolumne Igora Jošića pročitajte šta su moguće pojave koje se nalaze iza termina “tamna matarija”.

U prošlom nastavku imali smo prilike da vidimo kako je otkriveno postojanje tamne materije, kao i to da kandidat za nju ne mogu da budu molekuli gasa. Tako da ostaje pitanje šta je tamna materija, u ovom tekstu ćemo dalje razmotriti potencijalne kandidate.

Jedan od prvih kandidata na koji po logici stvari treba posumnjati jesu klasični astronomski objekti koji ne emituju zračenje (ili emituju malu količinu istog) kao što su crne rupe, planete i sl. Ovu klasu objekata astronomi nazivaju MACHO (Massive Compact Halo Object). Pored crnih rupa i planeta u ovu klasu objekata spadaju i beli patuljci, braon patuljci, neutronske zvezde. Potraga za MACHO objektima vrši se uz pomoć tzv gravitacionih sočiva. Gravitaciona sočiva nisu posebna vrsta sočiva koja se montiraju na teleskope, već je reč o efektu koji proizvode izuzetno masivna tela. Verovatno su vas, dok ste još uvek bili u kolevci, naučili da masivni objekti savijaju prostor ( i vreme). Kada svetlost prođe kroz zakrivljeni prostor dolazi do njene distorzije i dobija se efekat sličan efektu koji imamo kad svetlost prođe kroz sočivo. Naime, svetlost se tom prilikom savija i fokusira u tačku koja se nalazi ispred masivnog objekta koji izaziva pomenutu distorziju. Budući da slika vredi hiljadu reči, a animacija hiljadu slika, da vas ja ne bi dalje zbunjivao evo animacije koja to ilustruje.

Na njoj vidimo relativno blisku crnu rupu kako prelazi „preko“ udaljene galaksije (da budem jasan, ne prelazi crna rupa bukvalno preko galaksije, već se nama zbog perspektive čini da je tako, kao kada noću vidite pticu koja leti naspram punog Meseca, pa kažete da „preleće preko“ Meseca). Zapazite kako u trenutku dok prelazi preko galaksije galaksija postaje svetlija (uvećana). Galaksija naravno ne postaje fizički veća je već je u pitanju optički efekat, slično kao kada bi sočivom prošli „preko“ nje. Isti efekat se dobija i kada bliska crna rupa pređe preko udaljene zvezde.

Kako ovaj efekat može da se iskoristi u potrazi za MACHO-ima? Pa vrlo jednostavno – u prošlom nastavku videli smo da je halo naše galaksije ispunjen tamnom materijom, ako pretpostavimo da tamnu materiju čine MACHO tela, možemo da posmatramo njihov uticaj posredstvom gravitaciong sočiva na zvezde iz velikog i malog Magelanovog oblaka (Veliki i mali Magelanov oblak su satelitske, patuljaste, galaksije koje se nalaze na maloj udaljenosti od našeg mlečnog puta). Dakle, ako je galaktički halo ispunjen MACHO objektima oni će često prelaziti „preko“ zvezda iz susednih, satelitskih nam galaksijica, i učiniti da te zvezde za trenutak zasijaju sjajnije.

Kako to izgleda u praksi? Pa galaksije se često snimaju, pa se potom snimci upoređuju i traži se specifično pojačanje sjaja zvezde, koje bi ukazalo da je između nas i nje prešao nevidljivi MACHO objekat. Takvi događaji jesu zabeleženi, ali ni u približno dovoljnoj meri da bi objasnili 80%mase koju nismo u stanju da detektujemo. Tako da definitivno isključujemo MACHO objekte kao glavne kandidate za tamnu materiju. Budući da smo u prošlom tekstu isključili među-zvezdani, i među-galaktički gas, a u ovom MACHO objekte dolazimo o zaključka da tamnu materiju ne čine objekti sazdani od atoma, tako da nam ostaje nešto drugo, nešto drugačije od klasične, atomske, materije na koju smo navikli i koja nas okružuje. Hajde da vidimo koji bi to drugi kandidati mogli da budu.

Jedan od kandidata bi bili neutrini (nemojte ih brkati sa neutronima). Neutrini su veoma, veoma čudne čestice. Imaju veoma malu masu, električno su neutralni i interaguju isključivo sa slabom nuklearnom silom. Slaba nuklearna sila je sila veoma kratkog dometa, tako da je ona van atomskog jezgra praktično nemerljiva. Pored toga što je veoma kratkog dometa, ona je i, kao što joj ime sugeriše, znatno slabija od jake nuklearne sile. Činjenica da neutrini interaguju samo sa slabom nuklearnom silom ih čini praktično nevidljivim za običnu (atomsku) materiju – mogu neometano da prolaze kroz atome, da se sudaraju sa atomskim jezgrom bez, u ogromnom broju slučajeva, ikakve interakcije sa njim.

Drugim rečima, neutrini mogu da neometano prođu u ogromnim količinama kroz vas kao da ne postojite. To se zapravo i dešava, Sunce je ogromni generator neutrina (neutrini su jedan od proizvoda nuklearnih reakcija koje se odigravaju unutar Sunca) i svake sekunde kroz svaki santimetar vašeg tela prođe potpuno neometano po oko 65 milijardi neutrina, koji potiču sa Sunca. To se dešava i danju i noću, jer neutrini u ogromnom broju prođu kroz Zemlju, kada je ona okrenuta od Sunca (tj. noću), pa potom i kroz vas. Tek bi po neki od tolikog ogromnog broja odreagovao sa slabom nuklearnom silom u atomskom jezgru. Ali to nije ona veoma čudna stvar vezana za neutrine.

sl1

Neutrini se mogu podeliti na dva načina. Prvi način je po masi – najlakši neutrino je prosto nazvan neutrino -1, teži neutrino je nazvan neutrino -2, i najteži neutrino je neutrino -3. Drugi način njihove podele je vezan za način na koji on interaguje sa slabom nuklearnom silom, tu takođe imamo tri vrste neutrina, elektron-neutrino, tau-neutrino i muon-neutrino. Detalji vezani za njihovu interakciju sa slabom silom nisu naročito bitni za ovu priču, bitno je da i tu postoje takođe tri vrste neutrina. Ono što je čudno jeste da ne postoji neutrino koji je recimo i neutrino-1 i recimo neutino tau. Ako znate neutrinovu masu, tj. ako znate dal je on tip 1, 2 ili tri, ne možete da odredite da li je u pitanju tau-neutrino elektron-neutrino ili muon neutrino. Na primer, ako odredite da je u pitanju najteži neutrino, neutrino-3, to znači da je on istovremeno i tau i elektron i muon neutrino.

Važi i obrnuto, ukoliko na osnovu interakcije odredite da se radi o elektron-neutrinu, vi ne možete ni na koji način da mu odredite masu. Na neki način se može reći da ukoliko je neutrino o kojem govorimo tau/eletron/muon on istovremeno ima sve tri mase. Svestan sam da ovo zvuči kao da vam ovaj tekst kucam jednom rukom iz sobe sa tapaciranim zidovima, dok drugom rukom igram brzo-poteznu partiju šaha sa haloperidolom, ali zaista je tako. I da, tu nije kraj, direktna posledica toga da recimo muon neutrino poseduje u sebi tri različite mase je to da će on početi da se menja i postaće elektron neutrino, a potom tau-neutrino, da bi se na kraju ponovo vratio u muon neutrino. Ova pojava se naziva oscilacija neutrina, i ona nema nikakve veze sa današnjom temom, ali sam je podelio sa vama jer je potpuno fascinantna. Ono što ima veze sa našom pričom jeste to da su neutrini, gotovo nevidljivi za nas, i to ih čini idealnim kandidatom za tamnu materiju.

Međutim, postoji još jedna stvar vezana za njih koju nisam podelio sa vama a to je njihova brzina. Neutrini se kreću brzinama veoma bliskim brzini svetlosti (njihova brzina zavisi od energije kao i mase koju neutrini imaju, i u jednom od eksperimenata dobijena je vrednost od 99,9976 procenata od brzine svetlosti), kada se uvedu ovi podaci u kompjuterske modele koji opisuju evoluciju univerzuma od njegovih najranijih trenutaka ispostavlja se da sa neutrinima kao tamnom materijom nije moguće dobiti galaksije, lokalna jata zbog njihove ogromne brzine. I ovo ih diskvalifikuje kao kandidate za tamnu materiju. Ovaj rezultat ima i šire značenje, tj. tamnu materiju ne mogu da čine čestice koje se kreću visokim brzinama, već to moraju da budu neke masivne čestice koje se sporo kreću.

Kada od kandidata za tamnu materiju odstranimo atomsku materiju, čestice koje se brzo kreću, čestice koje su nestabilne (čiji je rok trajanja manji od hiljaditog dela sekunde, kao što je recimo Higsov bozon) dolazimo do zaključka da tamnu materiju moraju da čine neke do sada neotkrivene čestice. Da bi smo videli koje bi to čestice mogle da budu, moramo prvo da se upoznamo sa otkrivenim česticama. Tako da ćemo u narednom nastavku prvo da se pozabavimo sa poznatim česticama, da bi potom mogli da razmotrimo neke hipotetičke čestice koje bi mogle da se uklope u ovu priču.

Komentari: