Tamna materija

[причалица]

Svakako, jedan od najzanimljivijih fenomena, ne samo u fizici nego i u celokupnoj nauci jeste problem tamne materije.

Između ostalog, fizika elementarnih čestica i eksperiment u CERN-u imaju zadatak da reše ovu misteriju. U narednim redovima nećete dobiti odgovor na pitanje, šta je tamna materija. Ono što sledi jeste objašnjenje šta je to problem tamne materije i kom smeru idu istraživanja.

[причалица]

Po mnogo čemu godine 1932/33. bile presudne za dalji razvoj fizike, kako eksperimentalne tako i teorijske. Vladala je relativno jednostavna slika sa 3 elementarne čestice (elektron, proton i neutron), rešena je Šredingerova jednačina za jednostavnije slučajeve, spektri u atomskoj fizici su objašnjeni, zračenje takođe. U februaru 1932. Chadwick publikuje svoj rad u kome pokazuje postojanje neutrona, a sve to na osnovu eksperimentalnih radova bračnog para Žolio – Kiri i našeg Pavla Savića. U septembru iste godine Anderson otkriva i prvu antičesticu – pozitron. Broj elementarnih čestica se sada popeo na pet što je prilično dobro uzdrmalo naučnike. Usledile su godine istraživanja i otkriće stotine elementarnih čestica.

1933. godina je naravno bila godina debata i komentara na najnovija otkrića, ali je takođe i godina kada je otkriveno nešto što ne vidimo, ali čije pstojanje jednostavno možemo da naslutimo. Sve je počelo sa ekscentričnim gospodinom Zwicki-em.

[причалица]

Švajcarski fizičar Zwicky je 1933. godine radio na kalifornijskom tehnološkom institutu. U to vreme Zwicky je posmatrao zvezdano jato poznatije pod nazivom „Coma“ i pokušavao da odredi ukupnu masu jata posmatrajući galaksije na rubu jata. U te svrhe primenjivao je virijalnu teoremu. Kada je uporedio rezultat koji je dobio primenom virijalne teoreme sa rezultatom dobijenim na osnovu broja galaksija i ukupnog sjaja jata, dobio je rezultat koji je govorio da tamo postoji oko 400 puta više mase. Drugačije rečeno, gravitacija vidljivih galaksija jednostavno nije dovoljna da bi galaksije na rubu jata imale toliko velike brzine. Bilo je potrebno „nešto“ dodatno da obezbedi masu i gravitaciju. Zwicky je naravno odmah predpostavio da se tamo nalazi neka nevidljiva materija koja obezbeđuje gravitaciju. Ovaj problem je poznat pod nazivom problem nedostajuće mase.

[причалица]

Osnovi virijalne teoreme

S obzirom da je virijalna teorema bila osnovni alat gospodina Zwickya ukratko ćemo navesti samo osnovne pojmove vezane za virijalnu teoremu. Detaljnije razmatranje Virijalne teoreme je dato ovde.

U mehanici, korišćenjem virijalne teoreme dolazimo do opšte jednačine koja se odnosi na ukupnu kinetičku energiju sistema sa prosečnom ukupnom potencijalnom energijom . Matematički zapis teoreme je dat u sledećem obliku:



U navedenoj jednačini predstavlja silu na k-tu česticu, a pozicija čestice je opisana vektorom . Naziv virijalna je izveden od latinske reči vis što predstavlja silu, energiju i uveden je od strane Klauzijusa 1870. Navedenu teoremu je prvi koristio upravo Fritz Zwicky.

[причалица]

Važnost virijalne teoreme se ogleda u činjenici da se pomoću nje može odrediti srednja ukupna energija čak i za vrlo komplikovane sisteme kakvi se nalaze u statističkoj mehanici. Naime, u slučaju statističke mehanike, srednja ukupna kinetička energija je, prema teoremi ekviparticije, u funkciji temperature sistema, dok virijalna teorema ne zavisi od temperature i važi čak i za sisteme koji nisu u termičkoj ravnoteži.

Ako je sila između bilo koje dve čestice rezultat potencijalne energije oblika , virijalna teorema poprima sledeću jednostavnu formu:



Primer za navedeni slučaj je sistem u kome je zvezda koja se održava zahvaljujući sopstvenoj gravitaciji i tada je n = -1 . Virijalna teorema je našla primenu u dosta slučajeva među kojima je i izvođenje Čandrasekarove granice za stabilnost zvezda patuljaka.

[причалица]

Zaključak virijalne teoreme i Cvikijevog rada

Dakle, prema virijalnoj teoremi, ukupna kinetička energija galaksije bi trebala da iznosi polovinu vezujuće gravitacione, međutim, čisto da ne bude dosadno, neko ili nešto se pobrinuo da ukupna kinetička energija u stvari bude mnogo mnog veća, što je eksperimentalno i utvrđeno. Što se tiče talentovanog gospodina Zwickiya, on je imao samo jedan problem: nije baš umeo da komunicira sa drugim ljudima što je često za posledicu imalo da njegovi radovi ne budu shvaćeni ozbiljno. Njegovo otkriće je čekalo da ponovo bude otkriveno više od četrdeset godina.

[причалица]

Peebls i Oestricker - Početak kompjuterske fizike

Zahvaljujući razvoju elektronike, već početkom 70 – tih godina prošlog veka, računari su bili sve prisutniji. Njihove dimenzije su se smenjvali od celog fudbalskog terena, na pola fudbalskog terena. Smanjivao se i broj ljudi koji su opskrbljivslo kompjuter sa nekoliko desetina na desetak. Ako je verovati profesoru Slivki, 1970 tih godina, kada je on počeo da se bavi računarima, hard disk kapaciteta 2MB je bio dimenzija dva današnja lap topa . I takva je bila situacija sa računarima u vreme kada su Peeblso i Oestriker sprovodili svoja istraživanja. Peebls je bio fizičar, dok je Ostriker bio astronom. Zanimljivo je da je Peebls rekao da je astronomiju znao taman toliko koliko je slušao na ulici. Bilo kako bilo, to nije sprečilo njega i Ostrikera da izvedu svoja istraživanja.

1974. Peebls i Ostriker su pokušavali u to vreme da naprave simulaciju Mlečnog puta na računaru, a sam rad je bio otprilike nastavak njihovog rada iz 1973. kada su radili na problemu stabilnosti galaksija. Koncept je bio jasan i jednostavan: uneti u računar sve činioce galaksije koji su opaženi posmatranjem i napraviti njihovu odgovarajuću kombinaciju koja omogućava da simulacije funkcioniše.

[причалица]

Poput gospodina Zwickya i njih dvojica su imali jedan velik problem, a umeli su sasvim fino da komuniciraju sa kolegama. Njihov problem je bio u tome što kada god bi pokrenuli simulaciju, njihov model galaksije bi se urušio. Naime, simulacija se ponašala kao da ni blizu nije uračunata masa galaksije koja bi bila odgovorna za vezujuću gravitacionu silu. Peebls i Ostriker nisu znali o čemu se radi, jer su jednostavno u bazu podataka stavili potpuno sve što su mogli da detektuju pri astronomskim osmatranjima. Čak i pri najoptimističnijim unosima, dakle kada su u simulaciju stavljali masu koju nisu videli nego samo pretpostavljali, dobijali su rezultat kao da im fali 90% mase. Razbijali su glave dok nisu došli do rezultata Zwickyevog rada i odmah su shvatili. Problem je bio u tome: kako se pozvati na rad čoveka kojeg skoro niko ne shvata ozbiljno? Ipak, 1974. publikuju svoj rad i gotovo momentalno bivaju izloženi negativnim komentarima svojih kolega. To se jednostavno dešavalo i dešavaće se. Setimo se samo pronalaska lasera.

Spas Peeblsa i Ostrikera se javio u obliku rada Vere Rubin. S kraja 60 – tih i početka 70 – tih godina prošlog veka, Vera Rubin je određivala krive brzine tela koji su se nalazili na rubovima galaksija i dobila rezultate koji će potpuno potvrditi radove Zwickya i Peeblsa i Ostrikera.

[причалица]

Šta je to krivà brzine i pronalazak Vere Rubin

Posmatrajmo naš Solarni sistem. Ako nacrtamo zavisnost brzine planeta od rastojanja od centra rotacije (a to je naravno Sunce), dobijamo grafik kao što je dat na slici, kriva A. I to se naziva krivà brzine.



Dakle, posmatrajući od planete najbliže Suncu do planete najdalje od Sunca vidimo da brzina rotacije eksponencijalno opada kako se udaljavamo od Sunca. Vodeći se istim principom, isto bi trebalo da važi i ako posmatramo nebeska tela na rubovima galaksija ili ako posmatramo galaksije na rubovima jata galaksije. Kako se udaljavamo od centra galaksije, brzine nebeskih tela/galaksija bi trebalo da opadaju. Međutim, ono što je Vera Rubin otkrila jeste da brzine na rubovima galaksija ne opadaju, nego čak i rastu kao što je dato na prethodnoj slici, kriva B. Zaključaj je vrlo jednostavan: da bi tako nešto bilo moguće potrebno je mnogo više mase u takvom sistemu nego što mi možemo da detektujemo. Naime, kada se u obzir uzme sva masa, sve zvede, planete, nebeska tela,.... koja vidimo, jednostavno se ne dobija dovoljno mase koja može da drži na okupu galaksije pri takvim brzinama.

Iako su mnogi mislili da se kod rada Vere Rubin radi o greškama, ona je insitirala na tome da su osmatranja izvršena besprekorno i objavila rad 1975. Odmah nakon objavljivanja sproveden je niz osmatranja koja su samo potvrdila teze o tamnoj materiji, i ne samo potvrdili, nego otkrili nešto još čudnije.

[причалица]

HALO

Zahvaljujući krivama brzina došlo se do još jednog zaključka vezanog za prostiranje tamne materije u galaksiji ili jatu. Naime, utvrđeno je da se i sakupljen gas na rubovima galaksija/jata galaksija takođe kreće brzinama pri kojima data galaksija ne bi mogla da bude stabilna. Ovo nagoveštava da se tamna materija pruža oko galaksije poput oreola (eng. Halo – oreol), kao što je prikazano na slici. (Na slici levo je data usamljena galaksija, a na slici desno galaksija sa oreolom oko nje)

[причалица]

Masa i energija

Taman kad smo pomislili da ne postoji ništa više toliko zbunjujuće od koncepta tamne materije, dogodi se nešto... pa, još tamnije – tamna energija. Naime, što se tiče budućnosti našeg svemira prema svim teorijama postoje tri logične mogućnosti: naš svemir može da se širi do u beskonačnost, može da se zaustavi sa širenjem (tkzv. Statički svemir) ili može da se uruši. Naravno od sve tri mogućnosti, nekako naopasnije po nas deluje poslednja navedena. Navedene tri mogućnosti budućnosti našeg svemira su došle u trenutku kada su se fizičari zapitali kuda ceo svemir ide. Razmišljajući logički, prva mogućnost dolazi kao posledica toga da jednostavno ne postoji dovoljno gravitacije da zaustavi širenje svemira i da će on da se širi u beskonačnost nekakvom konstantnom brzinom. Druge dve mogućnosti su eventualna posledica da u univerzumu postoji dovoljno gravitacije da obuzda širenje kosmosa i jedna je varijanta da postoji taman toliko gravitacije da zaustavi širenje kosmosa i da on tako „statičan“ opstaje dok je druga varijanta da gravitacija prevlada širenje svemira i da se svemir uruši u singularitet kao što to čini i zvezda koja je potrošila svoje gorivo i ne može više da parira sili gravitacije. Bilo kako bilo, ono što je bilo vrlo logično za pretpostaviti u prvom planu jeste da i ako se kojim slučajem svemir širi, on bi trebao to da čini ili konstantnom brzinom ili usporavajući. Naravno, ovo je još jedan od bezbroj trenutaka u fizici kada eksperiment kaže totalno suprotno u odnosu na pretpostavku. Naime, primećeno je različitim ekesperimentima da se svemir širi ubrzano i ne samo to. I Galaksije se udaljavaju jedna od drugih takođe ubrzano!

[причалица]

Odmah se postavlja pitanje kako objasniti situaciju u kojoj imamo sledeće: naš zbunjujući svemir se širi sa sve većom brzinom, galaksije se udaljavaju jedne od drugih, a opet postoji stabilnost samih galaksija. Na račun koje energije se svemir širi, a galaksije ostaju stabilne. Krivac je kratko i jasno... i tamno – tamna energija.

Najdirektnije dokaze za postojanje tamne energije pružaju posmatranja supernova tipa Ia. Ono što je problem jeste određivanje rastojanja. U te svrhe traže se „standardne sveće“. Standardne sveće su objekti u svemiru čiji je stvarni sjaj poznat. U odnosu na njihov sjaj mi upoređujemo sjaj posmatranog objekta i takvim mehanizmom procenjujemo rastojanje. Najbolje standardne sveće su supernove tipa Ia iz prostog razloga što su veoma sjajne i vidljive milionima svetlosnih godina. Konzistentnost apsolutne magnitude supernovi tipa Ia se objašnjava modelom starog belog patuljka. Beli patuljak je zvezda koja dobija masu od zvezde pratilje i raste sve dok ne dostigne tačno definisanu Čandrasekarovu granicu. U trenutku dostizanja ove granice, zvezda je nestabilna i eksplodira kao supernova tipa Ia sa karakterističnim sjajem. Posmatrani sjaj supernove se crta na grafiku u funkciji od crvenog pomaka iste i predstavlja mehanizam pomoću kojeg se utvrđuje brzina širenja. Za očekivati je bilo da se svemir, koji se sastoji od materije kakvu mi poznajemo, širi sa opadajućom brzinom, ali, kao što je ranije navedeno, dobijeni su rezultati da se svemir širi ubrzano. Dobijeni rezultati se objašnjavaju postuliranjem tamne energije čija je specifičnost da ima negativan pritisak.

[причалица]

Neke metode detekcije tamne materije

Nadalje je potrebno navesti i objasniti neke metode detkcije tamne materije. Prvo, ipak, treba navesti dva tipa detekcije:

- posredna (direktna) i
- neposredna (indirektna)

Naravno, ne bi li što lakše zaključili šta znači posredna, a šta neposredna detekcija koristićemo se primerom, a ko baš hoće, može posle da formuliše definiciju Posredna detekcija tamne materija bi bila direktna detekcija čestica koje čine tamnu materiju, dok je neposredna detekcija tamne materije u stvari detekcija uticaja koju tamna materije ima na okolne objekte. Kako još uvek nismo u stanju da detektujemo čestice koje čine tamnu materiju iz prostog razloga što još uvek ni ne znamo od čega se u stvari sastoji tamna materija, koristimo sledeće metode neposredne detekcije:

- Barijonske akustične oscilacije,
- Prebrojavanje jata galaksija i
- Slabo gravitaciono savijanje

Treba napomenuti da postoji još dosta načina detekcije tamne materije, a mi ćemo za sada reći nešto o navedenim načinima detekcije.

[причалица]

Barijonske akustične oscilacije

Od momenta kada inflacija prestane, Univerzum je ispunjen jonizovanom plazmom. U takvoj situaciji svemir možemo posmatrati kao barijon-fotonski fluid i kroz takav fluid talasi pritiska se prostiru brzinom . Od početne fluktuacije gustine, šireća sferna perturbacija se prostirala približno do 370000 godina posle Velikog Praska, do trenutka kada su elektroni i protoni formirali neutralni vodonik. U ovom trenutku talasi pritiska su prestali da se šire i zamrznuti su u distribuciju materije. Ukupna razdaljina do koje su dospeli , se naziva zvučni horizont i materija je povezana sa ovom karakterističnom veličinom. Fizika BAO je dobro razrađena. Vrednost faktora je izračunata da iznosi od strane WMAP ( Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Zvučni horizont nam stoga služi kao standardni lenjir za daljinska merenja. Na graficima je dat primer spektra na kome se posmatraju barijonske akustične oscilacije.

[причалица]

Prebrojavanje jata galaksija

Jata galaksija su najveće strukture u Univerzumu koje su pretrpele gravitacione kolapse i one služe u principu kao markeri za ona mesta koja su posedovala najviše fluktuacija gustine u ranom Univerzumu. U te svrhe dobre rezultate daje Gravitacion modelovanje -tela, čime se u stvari meri odsustvo jata na nebu. Ovo je osetljivo u odnosu na tamnu energiju zato što je funkcija mase osetljiva na amplitudu fluktuacija gustine.

[причалица]

Slabo gravitaciono savijanje

Koncentracije mase savijaju fotone iz okolnih izvora na njihovom putu do posmatrača na Zemlji, što ima za posledicu da vidimo okolne izvore na pozicijama pomerenim od prave pozicije. Stepen savijanja zavisi i od mase uzročnika savijanja i od razdaljine između posmatrača, sočiva i izvora.

Uglove savijanja u principu nije moguće posmatrati, iz prostog razloga što nismo u mogućnosti da posmatramo nesavijenu poziciju. U retkim slučajevima, savijanje je dovoljno jako da savije dva odvojena različita snopa zrakova što posmatrač registruje kao dve (ili više) različitih slika istog izvora i na osnovu toga može da zaključi uglove savijanja. U uobičajnijem slučaju slabog savijanja, može se izmeriti gradijent ugla savijanja zbog toga što bilo kakva anizotropija u ovom gradijentu ima za posledicu da kružne galaksije vidimo kao blago eliptične.

Odličan primer gravitacionog savijanja je dat na slici:

[причалица]

Gde smo sada

I tako nakon relativno jednostavne slike sa tri elementarne čestice i zablude da možemo da registrujemo sve što postoji u univerzumu došli smo do tačke u kojoj imamo stotine elementarnih čestica, još tragamo za jednom koja će nam objasniti masu i tragamo za nečim što ne vidimo. Neko ko nije fizičar bi cinično rekao: “perspektivno“, a mi veselo kažemo: „kvarkovi imaju baš lepa imena“ .

Još kada su Peebls i Ostriker vršili svoje simulacije i najoptimističnija ubrajanja kojekakvih nebeskih tela za koja se samo slutilo da postoje su davali rezultat da Univerzum čini svega 10% onoga što možemo da vidimo, a ostatak dele tamna energija i tamna materija. Najsvežiji proračuni daju rezultat prikazan na slici:

[причалица]

Pretpostavke o činiocima tamne materije

Naravno da je naše shvatanje tamne materije daleko od nivoa razumevanja, tokom godina istraživanja u oblasti fizike čestica pojavile su se neke ideje o tome šta bi moglo da čini tamnu materiju. Postulirano je više kandidata za činioce tamne materije, od kojih je jedna podela na barijonsku i nebarijonsku tamnu materiju. Nebarijonska tamna materija se može podeliti na tri tipa:

- vrela tamna materija,
- topla tamna materija i
- hladna tamna materija.

Ako se tamna materija sastoji od gomile lakih čestica koje ostaju relativističke neposredno pre rekombinacije tada se može nazvati vrelom. Najbolji kandidat za vrelu tamnu materiju su neutrini. Toplu tamnu materiju bi predstavljale manje prisutne čestice od neutrina koje interaguju još slabije od istih i imaju masu reda veličine 1 eV. One se nazivaju toplim zato što imaju nižu termičku energiju od masivnih neutrina i postoji nekoliko kandidata za njih: gravitini i fotini su neki. Bilo koje čestice koje postaju nerelativističke vrlo brzo su kandidati za tkzv. hladnu tamnu materiju i za ovaj slučaj postoje mnoge čestice kandidati uključujući i supersimetrične čestice.

[причалица]

Pogledajte kako tamna materija utiče na našu galaksiju
S. Kostić, M. Radović | 23. 09. 2011. - 11:02h | Foto: AFP |


Pogledajte video koji pokazuje spiralni oblik naše galaksije i dve njene manje satelitske galaksije, Veliki i Mali Magelanov Oblak.



Sateliti opkružuju glavnu galaksiju i, tokom tog procesa, izazivaju spore talase u njoj.

Na ljudskoj vremenskoj skali, ti talasi izgledaju kao statička osnova u galaktičkim periferijama.

Ono što je čudno, međutim, jeste da su sateliti previše laki da bi imali dramatičan efekat. Astronomi su nedavno demonstrirali da se njihova gravitacija znatno pojačava tamnom materijom.

http://link.brightcove.com/services/...=1165451106001

Magelanovi oblaci nisu jedini sateliti Mlečnog puta, dokazali su astronomi, koji su izbrojali oko dvadesetak.

Ovaj video pokazuje njihovu trodimenzionalnu poziciju, relativnu u odnosu na prostor galaksije, gde leže Sunce i ostale zvezde.
Ovde je misterija u tome zašto nema više satelita - po pravilu, naša galaksija bi ih trebalo imati na stotine.
Slounov Digitalni Pregled Neba, koji je skenirao regiju koju je prikazala ružičasta kupa, delimično je popunilo praznine pronalazeći još desetak satelita. Sateliti su sačinjeni većinom od tamne materije.
Ostatak tamošnjih satelita mogao bi biti potpuno nevidljiv.

http://link.brightcove.com/services/...=1165547424001

[причалица]

Veličina galaksije i tamna materija
by Nikola Marković

Proučavajući kretanje jata galaksija na Kalifornijskom institutu za tehnologije 1934. godine Švajcarski astrofizičar Fric Zvicki je primetio da je njihova masa prema njegovim posmatranjima oko 400 puta manja od one potrebne da bi se galaksije kretale onom brzinom kojom se inače kreću. Ovaj jako „težak“ problem Fric je rešio pretpostavljajući postojanje posebnog oblika materije danas poznatog kao tamna materija.

Danas se pretpostavlja (zna) da tamna materija čini 23 % ukupne mase svemira ( 4% čini nama vidljiva materija a ostatak je još čudnija tamna energija) kao i da bi otkrivanje same prirode tamne materije bio jedan od najvećih uspeha moderne fizike i kosmologije jer je postojanje tamne materije najbitniji element održanja teorije velikog praska koja koja kaže da postoji mnogo glaksije koje čini samo tamna materija koje još uvek nisu detektovane kao i da je tamna materija imala veliku ulogu u evoluciji kosmosa. Za sada postoje pretpostavke o sastavu tamne materije prema kojima se ona ne sastoji od čestica standardnog modela elementarne fizike (elektroni, protoni, neutroni…) već se kao mogućnosti navode aksioni , sterilni neutrini i WIMP (Weakly Interacting Massive Particles).