Tamna materija očima vilinog konjica

Ovih dana u medijima se pojavila vijest o otkriću galaksije koja ne sadrži takozvanu tamnu materiju. Svakako, nakon članka Petera van Dokkuma objavljenog 28. marta ove godine u „Nature“. Za razliku od čestih situacija kada se vijesti iz znanosti ne bi trebale uzimati previše ozbiljno, ovaj put zaista imamo situaciju kada se radi o nečem epohalnom, gledano sa stanovišta astronomije, astrofizike i teorijske fizike. Radi se o rezultatu možda uporedivom po značaju sa onim od prije par decenija da se svemir širi ubrzano. Cilj ovog priloga je da se događaj, koliko je to u ovom formatu moguće, stavi u odgovarajući kontekst.

Situacija je pomalo paradoksalna, jer mi niti znamo sa sigurnošću ima li uopće te tamne materije, niti od čega se ona sastoji, ali otkrili smo mjesto gdje je nema, što bi trebalo dokazivati kako ona sigurno postoji. Moramo to pogledati detaljnije.

Proučavajući Coma skup galaksija u sazvježđu Coma Berenices (sazvježđe Berenikine Kose) čuveni švicarsko-američki astronom Fritz Zwicky 1933. dolazi do neočekivanog zaključka. Koristeći takozvani virijalni teorem (detaljnije izlaganje može se naći u članku Pavlovski, Krešimir (2001) Jata galaksija, virijalni teorem i nevidljiva tvar. Matematičko-fizički list, 203 (3). pp. 152-154. ISSN 1332-1552) došao je do saznanja da u galaksijama mora postojati dodatna materija koja ne svijetli i koja ne dozvoljava galaksijama da se razlete, drugim riječima, da zvijezde zbog brzine ne pobjegnu iz njih. Tu tvar nazvao je, na njemačkom, „dunkle Materie“.

Odmah da kažemo da je u procjeni pretjerao, jer je ispadalo  da je takve tvari 400 puta više nego obične, ali i kasnija mjerenja, gdje posebno treba spomenuti rad na proučavanju rotacije galaksija nedavno preminule Vere Rubin iz USA, pokazuju da je ima za red veličine više nego obične tvari, one koja se sastoji od elementarnih čestica koje poznajemo.

Svakako, u takvoj situaciji bili su prirodni i pokušaji da se nađe drugačije objašnjenje uočenih zakonitosti.

To bi se postiglo modifikacijom, za velike udaljenosti, zakona gravitacionog privlačenja koji nam je poznat iz Newtonove mehanike, odnosno, Opće Teorije Relativnosti u Newtonovoj aproksimaciji.

Prva takva modifikacija predložena je 1983. od izraelskog astrofizičara Mordehaia Milgroma, a takve teorije poznate su pod imenom MOND (Modified Newtonian Dynamics).

Svakako, većina teoretičara ne smatra takav pristup pretjerano estetskim, ali konačni sud daju samo posmatranja i eksperimenti. U krajnjoj liniji Milgrom je ispravno ukazao na činjenicu da Newtonov zakon nije u potpunosti provjeren eksperimentalno, odnosno testiran za jako niske akceleracije.

Razlog izvjesne skepse je i činjenica da je tamna materija jednostavno „potrebna“ i u modernoj kosmologiji i u teoriji formiranja galaksija. S te strane, nova interpretacija gravitacije oslobodila bi nas potrebe da odgonetamo prirodu tamne materije, ali bi bila u strahovitoj kontradikciji sa velikim izvršenim radom u više oblasti, tako da nije čudno da se ne smatra pretjerano privlačnom opcijom.

Ključno je uočiti sljedeće. Ako je sam zakon gravitacionog privlačenja izmijenjen, takva modifikacija važi svuda. A ako je rješenje tamna materija, ona gravitira kao i svaka druga. Pošto o njenoj prirodi malo znamo, otvorene su razne mogućnosti što se tiče njene distribucije u prostoru.

Prva slika koja bi mogla ukazivati na to da se distribucija svijetleće i tamne materije ne poklapaju je slika skupa galaksija poznatog kao Bullet Cluster, a sličan je slučaj sa galaktičkim jatom Abel 520.

(Termine skup, grupa i jato galaksija u ovom tekstu koristimo prilično slobodno, ne ulazeći u definicije i konvencije.)

Kod takvih posmatranja, običnu materiju vidimo uglavnom usljed zračenja vrućeg gasa u rentgenskom dijapazonu, a tamnu materiju indirektno, pomoću mjerenja efekata koje izazivaju gravitaciona sočiva, odnosno leće.

Isto kao što obična leća utiče na sliku zbog refrakcije u njenom materijalu, tako i gravitaciono polje iskrivljava putanje zraka svjetlosti koje dolaze iz izvora iza mase o kojoj se radi, u ovom slučaju svjetlosti udaljenijih galaksija, tako da imamo distorziju slike. Na primjer jato  Abell 2218, gdje vidimo tako promijenjene slike galaksija.

Abell 2218. Izvor: NASA/ESA

Međutim, u ranije spomenutim jatima prilično je vidljivo kako postoje nevidljivi centri gravitacionog privlačenja. Ipak, pošto se ustvari radi o prilično složenim sistemima galaktičkih jata u sudaru, nisu bila potpuno isključena ni alternativna objašnjenja.

Sada je trenutak da se upoznamo sa novom tehnikom posmatranja, odnosno novim uređajem koji omogućuje posmatranje objekata vrlo niskog sjaja.

Dragonfly teleskop. Van Dokkum; R. Abraham

Peter van Dokkum, kanadski kosmolog i fotograf-amater, dobro verziran u modernoj tehnici fotografije, smislio je 2011. način kako da se iskoristi novi tip leća, koje je razvio „Canon“ i spoji veći broj takvih u cjelinu, na način kako su izgrađene oči kod insekata, što nije nepoznat princip u astronomiji. Tako smo dobili teleskop „Dragonfly“, „Vilin Konjic“, sa kolosalnom moći razlučivanja, što je omogućilo posmatranje udaljenih objekata izuzetno niskog sjaja. I to za vrlo mali novac. Odvlače ga u New Mexico i isprobavaju. Uskoro Roberto Abraham i Van Dokkum, sad sa više leća, i to kupljenih u radnji, dobivaju najjači teleskop-refraktor na svijetu.
Rezultati nisu izostali. „Dragonfly“ postaje izviđačem, na osnovu njegovih posmatranja usmjeravaju se veliki teleskopi vodećih opservatorija.
Prvo je otkrio galaksiju koja kao da se sastoji skoro samo od tamne materije, sa vrlo malo zvijezda. Označena je sa Dragonfly-44 i nalazi se u jatu Coma.
A doslovno prije nekoliko dana u časopisu „Nature“ objavljen je članak o otkriću galaksije u kojoj tamne materije izgleda uopće nema!
Koristeći „Dragonfly Telephoto Array“, tim van Dokkuma sa univerziteta Yale pokazao je da u galaksiji NGC1052-DF2 tamne materije izgleda nema. Posmatrali su 10 zvjezdanih skupova unutar nje, i zaključili da im se dinamika potpuno uklapa u teoriju, ali bez dodatne tamne mase.
Šta možemo da zaključimo?
U prvom redu, tamna masa postoji, i MOND-teorije gube svoj osnovni motiv.
Kao drugo, potrebno je objasniti kako se tamna materija odvaja od obične. To je neophodno shvatiti, jer po sadašnjim teorijama stvaranja galaksija one se ne mogu formirati bez prisustva tamne materije.
Optimistički gledano, možda nam astronomska posmatranja pomognu shvatiti prirodu takve tvari. Današnja situacija, kada se glavnina mase u svemiru ne može jasno identificirati sa onom koja nam je poznata i donekle razumljiva u okviru fizike elementarnih čestica predstavlja vrlo veliki izazov.

Amir Mulić

Updated: April 5, 2018 — 11:39 pm
© 2018 Astronomsko društvo Orion. All Rights Reserved. Frontier Theme