От какво е направена нашата Вселена?

13 ноември 2016 г., 15:22
5260

Илюстрация: Shutterstock

Ако един извънземен разум от паралелна вселена посети нашата, има голяма вероятност дори да не забележи, че съществуваме.

В някакъв смисъл това е очевидно: Вселената е огромна, а нашата планета е малка, бледа синя точка. Но има възможност извънземните да не забележат дори звездите, и планетите, които обикалят около тях. Могат дори да пропуснат огромните облаци от космически прах, които се носят в пространството.

Всички тези познати неща съставляват само малка част от материята в нашата Вселена. Останалото е нещо друго – материал, който никой на Земята никога не е виждал.

Поради липса на по-добро име, физиците наричат това вещество „тъмна материя“. Ако го нямаше, галактиките щяха да се разлетят напосоки. Никой не знае какво точно представлява, но физиците отдавна са по следите му.

Всичко, което виждаме около себе си, от собственото ни тяло до планетата, която обитаваме, е направено от атоми. Те от своя страна са съставени от по-малки частици, протони и неутрони, много от които могат да бъдат разбити на още по-малки.

В началото на ХХ век, когато физиците разкриват състава на атомите, е изглеждало, че сме на път да разберем основата на цялата материя във Вселената. Но през 1933 г. швийцарският астроном Фриц Цвики развива аргумента, че по-голямата част от Вселената е направена от нещо съвсем друго.

Материята, която може да се наблюдава в определен куп галактики, не е достатъчна, за да отговаря за силата на гравитацията, която ги държи заедно, установява той.

Галактиките, които Цвики наблюдава, освен това се въртят толкова бързо, че би трябвало да се разлетят и разпръснат по всички краища на Вселената, обяснява Ричард Маси от Университета Дърам във Великобритания за BBC Earth. Всяка галактика е като въртележка, която се върти толкова бързо, че може да изхвърли всички, които се возят на нея.

Цвики осъзнава, че трябва да има нещо друго, което не може да се наблюдава пряко, но има достатъчно силно гравитационно притегляне, за да държи всичко заедно. Той нарича това „тъмна материя“. По онова време обаче го смятат за ексцентрик и не взимат теорията му насериозно. Трудът му общо взето потъва в забрава до седемдесетте години на ХХ век, когато астрономът Вера Рубин открива, че близките галактики не се въртят по „правилния“ начин.

В нашата Слънчева система важи едно просто правило. Колкото по-далеч е една планета от Слънцето, толкова по-слабо е гравитационното привличане, което я задържа. Като резултат тази планета се движи по-бавно и отнема повече време, за да завърши орбитата си. Същата логика би трябвало да се прилага към звездите, обикалящи около центъра на галактиката. Най-отдалечените звезди би трябвало да се движат най-бавно. Но вместо това Рубин установява, че далечните звезди се движат със същата скорост, както и близките. Трябва да има нещо, което пречи на тези звезди да се разлетят.

Днес астрономите са убедени, че тъмната материя е основен градивен елемент на Вселената, такава, каквато я познаваме.

В известен смисъл тъмната материя е като въздуха: не го виждаме, но знаем, че е там. Нещо повече, има много: около 25% от Вселената.

За да е още по-объркващо, понякога се казва, че тъмната материя съставлява около 80% от цялата материя във Вселената. Причината е, че само около 30% от Вселената е съставена от материя и повечето от нея е тъмна материя. Останалото е енергия.

До осемдесетте години на ХХ век започват да си пробиват път първите доказателства за наличието на тъмна материя. Учените установяват, че галактиките не следват един и същи модел на подреждане. Те „не са разпръснати равномерно, като глазурата върху тортата“, както обяснява Карлос Френк от Университета Дърам, а са събрани в големи купове, всеки от които съдържа стотици хиляди галактики и образуват сложни форми, известни като „космическа мрежа“. Тази мрежа е „оплетена“ от тъмна материя.

С други думи, тъмната материя е скелетът, на който се държи обикновената материя, обяснява Каролин Крофорд от Кеймбриджкия университет във Великобритания. „Знаем, че няма как да я нямало в ранната Вселена. Изключително важно е било всичко да бъде събрано заедно, за да се развие в структурите, които виждаме днес.“

Въпреки че не можем да я наблюдаваме директно, тъмната материя прави едно нещо, с което издава съществуването си: пречупва светлината, която минава през нея. Представете си как проблясва светлината през водата на плувния басейн или матирания прозорец на банята.

Ефектът се нарича „гравитационна леща“ и се използва, за да се установи местоположението на облаците тъмна материя. Благодарение на тази техника учените съставят карти на тъмната материя във Вселената. Засега е картографирана само малка част, но един екип от учени, които работят по подобен проект, има амбициозната цел да картографира милиони галактики, съставляващи една осма от цялата Вселена.

И така, донякъде имаме представя къде е тъмната материя. Но все още не знаем какво е.

Учените предлагат различни теории, но в момента най-популярната е, че тъмната материя е съставена от нов вид частици, които са предсказани на теория, но още не са засечени. Те са известни като WIMPs или „слабо взаимодействащи масивни частици“ (weakly interacting massive particles).

WIMPs са слаби във всеки смисъл на думата, обяснява Ан Грийн от Нотингамския университет във Великобритания. Първо, те почти не взаимодействат, както една с друга, така и с обикновената материя. Когато ударите ръката си в стената, ръката ви ще се сблъска с нея, но ако WIMP удари стената или себе си, просто ще премине.

Втората част от акронима говори сама за себе си. WIMPs имат голяма маса, макар и да не са задължително големи. Те могат да тежат стотици или хиляди пъти повече от един протон, казва Грийн. Въпросът е, че няма как да знаем.

Терминът WIMP се използва за удобство и може да включва множество различни видове частици, казва Маси. По-лошото е, че след като са толкова „призрачни“, е изключително трудно да бъдат уловени.

Може да звучи като от пословичната игла в купа сено, но учените използват поне три различни начина да засекат тъмна материя.

Първият е да наблюдават нейното действие в Космоса. Следейки поведението ѝ благодарение на съществуващите „карти“, астрономите могат да засекат инцидентен „сблъсък“. Частиците на тъмната материя по принцип минават през обикновената материя. Но самият им брой предполага, че в редки случаи някои от тях ще се сблъскат с ядрото на атом. Този сблъсък създава гама лъчи. В редки случаи, както посочва Френк, „тъмната материя може да свети“.

Има експерименти за улавяне, които следят тези сблъсъци, посочва Грийн. Едно изследване с помощта на мощния телескоп Ферми през 2014 г. твърди, че са засечени гама лъчите от подобни сблъсъци, но все още предстои да се изясни дали наистина тези лъчи са причинени от тъмна материя.

Освен с обикновена материя, тъмната материя може да се сблъска и със самата себе си и това също може да се наблюдава. Екипът на Маси е изследвал сблъсъка на две галактики. Учените са очаквали цялата тъмна материя в галактиките да просто да премине, но вместо това част от нея е изостанала зад галактиката, към която принадлежала. Което означава, че е взаимодействала с друга тъмна материя. „Ако е така, това ще е първото доказателство колко малко я е грижа за останалия свят“ – казва Маси.

И двата посочени метода обаче имат един голям недостатък: не можеш да грабнеш облак тъмна материя, голям колкото една галактика и да го поставиш под микроскоп. Те са прекалено големи и прекалено далеч.

Затова другият начин да се засече тъмна материя е като първо се създаде. Физиците се надяват да направят това в ускорителите на частици, като Големия адронен ускорител в Женева, Швейцария.

Големият адронен ускорител разбива един в друг протони със скорости, близки до тази на светлината. Тези сблъсъци са достатъчно мощни, за да раздробят протоните до техните съставни части. След което ускорителят засича и изследва тези субатомни отломки.

По време на тези мощни сблъсъци могат да се открият също и нови частици като WIMPs, посочва Малкълм Феърберн от Кингс Колидж в Лондон, Великобритания. „Ако WIMPs наистина съставляват тъмната материя и ние ги открием в Големия адронен ускорител, имаме голям шанс да разберем от какво е съставена тъмната материя във Вселената“.

Но ако тъмната материя не е съставена от WIMP, ускорителят няма как да я засече.

Съществува и още един начин, по който учените търсят да уловят тъмната материя – дълбоко под земята те следят за същия тип сблъсъци, каквито телескопът Ферми е наблюдавал в космоса.

Милиарди частици тъмна материя минават край нас всяка секунда, казва Френк – „Те минават през телата ни по милиарди в секунда и ние не усещаме нищо“.

 Защо да ги търсим под земята? Защото скалите отгоре блокират голяма част от радиацията, която може да се сбърка с излъчената от сблъсъците, но пропускат тъмната материя. До момента  обаче от подземните детектори не е получена надеждна информация.

„Трябва да открием тъмната материя по повече от един начин, за да бъдем сигурни, че това, което наблюдаваме в лабораторията, е същото, което се носи из галактиките“ – казва Феърберн.

Засега голяма част от нашата Вселена си остава тъмна и не е ясно колко дълго ще остане такава.

Някои космолози, сред които е и Френк, се надяват, че ще получим отговори в следващото десетилетие. Други, като Грийн, са по-песимистично настроени. Ако Големият адронен ускорител не открие нищо в скоро време – казва тя – вероятно не търсим правилното нещо.

Изминали са повече от 80 години, откакто Цвики за първи път предполага съществуването на тъмна материя. През цялото това време не сме успели да стигнем до нея и да разберем какво представлява.

Това е отрезвяващо напомняне колко още път имаме да извървим, за да разберем Вселената, от която и самите ние сме част. Да, научаваме много, от зараждането на галактиките до еволюцията на живота на Земята. Но голямата част от Вселената все още е черна кутия и нейните тайни чакат да бъдат разкрити.

По материал на BBC Earth

Коментари