Csúcsműszerrel erednek a rejtélyes sötét anyag nyomába

Hosszú évek óta hiába keresik a csillagászok a Világegyetem egy jelentős részét kitevő úgynevezett sötét anyagot, egyelőre csak annak gravitációs hatását lehet kimutatni. Az Endeavour űrrepülőgép egy nagy részecskedetektort is magával visz az űrbe, amellyel sötét anyagra és antianyagra vadásznak.

A mai fizika egyik nagy rejtélye, hogy a Világegyetem kétharmadát a sötét energia alkotja, negyedét pedig a sötét anyag teszi ki - de egyiknek sem ismerjük a természetét. Mindössze 4-5 százalékot képvisel a "normális", fénylő anyag, amelyet csillagok és galaxisok formájában jól ismerünk.

Mi utal a sötét anyag létére?

Noha közvetlenül nem látható, számos csillagászati megfigyelés alapján valóban létezik a sötét anyag. A galaxisok megfigyelt mozgásának magyarázatához ugyanis nem elegendő a látható, elektromágneses sugárzást kibocsátó anyag gravitációs hatása. Számos törpegalaxis sem maradna egyben a láthatatlan tömeg gravitációs segítsége nélkül. Távoli galaxishalmazok a még messzebb lévő objektumok sugárzását az úgynevezett gravitációs lencsehatás révén úgy térítik felénk, amelynek alapján kiderül, hogy a halmazok tömege lényegesen nagyobb annál, mint ami látható belőlük. Mindezek felett több elméleti modell utal a láthatatlan tömeg létére.

Animáció az anyag koncentrálódásáról a galaxishalmazokban (NASA/CXC/SAO/A.Vikhlinin et al.)

Mi lehet a sötét anyag?

A sötét csillagközi felhők, halvány barna törpék, fekete lyukak csak nagyon kis részét teszik ki ennek a láthatatlan tömegnek, akárcsak a neutrínók, amelyekről néhány éve kiderült, hogy van ugyan csekély tömegük, de ez messze nem elegendő a láthatatlan tömeg magyarázatára.

A legesélyesebb jelöltek olyan részecskék, amelyeket egyelőre nem sikerült észlelnünk. Ilyenek például a WIMP-ek (Weakly Interacting Massive Particle, lásd keretes írásunkat). Az egzotikus szubatomi jelölteket elsősorban azokban a laboratóriumokban figyelhetik meg sikeresen, amelyek megfelelően fel vannak szerelve az ilyen kísérletekhez, mint például a legnarói olasz nemzeti laboratórium, vagy a CERN LHC gyorsítója, illetve az amerikai Lawrence Livermore nemzeti laboratórium, ahol már korábban is végeztek ilyen kísérleteket.

Vitatkoznak a WIMP-vadászok

A Xenon 100 detektor

Közel tíz éve működik az olasz DAMA nevű program, amely a WIMP-ek azonosításán fáradozik. A föld alatti detektorokkal már észleltek olyan jelenséget, amely ismeretlen szubatomi részecskéktől is származhatott. Az olasz detektor a részecskék létére utaló jelekben éves periodicitást mutatott ki, amelyet elvben az is okozhat, hogy bolygónk a Nap körüli útján hol több, hol kevesebb sötét anyaggal találkozik. Ennek oka, hogy bolygónk relatív sebessége periodikusan változik a "galaktikus háttérhez" viszonyítva, ami eltérést okozhat a műszert eltaláló, a sötét anyagot alkotó részecskék gyakoriságában. Egyelőre azonban sokan vitatják a megfigyelés értelmezését. A napokban megrendezett nemzetközi konferencián egy további kutatócsoport a fentivel ellentétes bejelentést tett, szerintük a DAMA-csoport detektora nem sötét anyagot észlelt.

Hol van a sötét anyag?

Forrás: [origo]

A sötét anyag nem egyenletesen tölti ki a Világegyetemet, hanem a látható anyaghoz hasonlóan inhomogén eloszlást mutat. Pontosabban fogalmazva fordított a helyzet, és a sokkal nagyobb mennyiségben lévő láthatatlan anyag eloszlását követik a látható anyag csoportosulásai. A sötét anyag szálas, csomós szerkezetű, a közönséges anyagból álló galaxishalmazok a sötétanyagszálak találkozási pontjainál összpontosulnak.

Az elmúlt években találtak csaknem kizárólag sötét anyagból álló galaxisokat is. Ilyen például a VIRGOHI21 jelű objektum a Virgo galaxishalmazban, mintegy 50 millió fényévre tőlünk. A galaxis egy 100 millió naptömegű, semleges hidrogénből álló hatalmas felhő, amelyet egy ennél ezerszer nagyobb tömegű, láthatatlan anyagból álló burok övez.

A sötét anyag valószínűleg minden galaxisban, ennek megfelelően a Tejútrendszerben is megtalálható. Kiterjedt, közel gömb alakú térrészként (úgynevezett halo) veszi körbe csillagvárosunkat, kisebb hányada pedig korong formájában csoportosul. Ugyanakkor felmerült, hogy egyes modellek alapján a galaxis centrumából olyan nagy energiájú gammasugárzás lép ki, amely a sötét anyagot alkotó könnyebb szuperszimmetrikus részecskék szétsugárzásától, a részecskék annihilációjától származhat.

A szuperszimmetria elmélete olyan átfogó teória, amely a fizikai kölcsönhatásokat egységes rendszerben magyarázza, és képes leírni az ősrobbanás utáni korai Világegyetem első pillanatait. Az elmélet szerint minden részecskének van egy szuperszimmetrikus partnere - utóbbiak fontos összetevői lehetnek a sötét anyagnak. Eddig nem észleltek szuperszimmetrikus részecskét, azonosításuk egyik fontos feladata a CERN-ben üzemelő LHC részecskegyorsítónak.

Nagy detektor indul az űrállomásra

Az Endeavour űrrepülőgép az utolsó útján egy nagy részecskedetektort, az Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) nevű berendezést is felszállítja az Nemzetközi Űrállomás (ISS) fedélzetére. A detektornak a jelenleginél szerényebb, első változata (AMS-01) még 1998-ban, a Discovery űrrepülőgép rakterében jutott a világűrbe. Az akkor nyert tapasztalatok alapján fejlesztették ki az AMS-02 jelű, hamarosan startoló egységet. Ez a műszer az űrállomás külső felületén kap majd helyet, és a sötét anyag azonosításában is közreműködhet. A berendezés a vele találkozó részecskék tömegét, sebességét, típusát és töltését is pontosan meg tudja határozni, képessége felülmúlja a régebbi, esetenként nála nagyobb, de a Földön elhelyezett érzékelőkét.

A megfigyelések keretében a Napból származó, valamint a szupernóva-robbanások és gammavillanások nyomán kibocsátott nagyenergiájú részecskéket is elemzi majd. A detektor adatai révén pontosabban meghatározhatók az űrbeli sugárzások jellemzői, amelyeknek az ismerete a hosszabb távú emberes expedíciókhoz (például emberes Mars utazáshoz) is fontos lehet. Az AMS a gyorsan haladó nehéz atommagok között antirészecskéket is keres. A mérések célja, hogy közelebb jussanak a szakemberek annak megállapításához, vajon léteznek-e valahol kizárólag antianyagból álló égitestek a Világegyetemben. Utóbbi nyitott kérdés, eddig egy földi laboratóriumi kísérlet során észleltek antihélium-atommagokat, mint arról nemrég beszámoltunk.

Fantáziarajz az űrállomás külső felületén elhelyezett AMS detektorról (NASA)

Az eredeti tervek alapján a detektor visszatért volna a Földre egy űrrepülőgépes küldetés során, miután a benne lévő úgynevezett szuperfolyékony hélium elfogyott és annak hűtőhatása véget ért. Az űrrepülőgépek nyugdíjazása miatt erre nem lesz lehetőség, azonban az elmúlt években a technológiai fejlődés révén a korábban tervezettnél nagyobb érzékenységű mágnest sikerült készíteni a detektorhoz, ezért a hélium kifogyása után is képes lesz fontos mérési adatokat szolgáltatni.

A sötét energia

A sötét anyagnál talán még titokzatosabb az a tényező, amelyet sötét vagy láthatatlan energia néven említenek a kutatók. Ez sem bocsát ki fényt, közel egyenletes eloszlásban tölti ki a világegyetemet, és a hozzá tartozó nyomás negatív érték - ennek megfelelően a gravitációval ellentétesen hat, és gyorsítja az univerzum tágulását.

A Hubble-űrtávcső mérései alapján jutottak először a szakemberek a megállapításra, hogy a világegyetem gyorsuló ütemben tágul. Később más műszerek mérései is igazolták a felismerést, így született meg a sötét energia ötlete - amelyhez hasonlót kozmológiai állandó néven Albert Einstein (egyéb okokból) is bevezetett elméleteibe, később azonban ezt elvetette.

Vázlatos ábra a Nagy Bumm óta eltelt időszakról, eleinte lassuló, majd gyorsuló tágulással (NASA)

A gravitációval ellentétes irányba ható sötét energia mintegy 6 milliárd évvel ezelőttől kezdve uralja a világegyetemet. Korábban, amikor az univerzumban a "normál anyag" sűrűsége még a mainál nagyobb volt, lassult a tágulás, azonban a későbbiekben a tágulás miatt gyengült az egymástól egyre távolabb kerülő égitestek közötti gravitációs vonzás, és a sötét energia antigravitációs hatása vált érzékelhetővé. A sötét energia nyomán jelenleg úgy fest, hogy az univerzum örökké tágulni fog.

A sötét energia mibenlétét sűrű homály fedi. Az egyik elgondolás szerint a vákuumban állandóan keletkeznek és megsemmisülnek részecskék, tehát a vákuum energiát hordoz. A vákuumenergia viszont a számítások szerint sokkal nagyobb annál, mint amennyi a sötét energia megfigyelt hatásának magyarázatához szükséges lenne. Ha csak ez a vákuumenergia hatna, akkor a világegyetemünk egy szempillantás alatt szétrepülne. Tehát ha ez felel a sötét energiáért, akkor itt további rejtett hatások is lehetnek. Megoldásként a kozmológiai állandó újbóli bevezetése mellett ismét felmerült egy ötödik fajta kölcsönhatás létezésének lehetősége is - azonban napjainkban még nemcsak megoldás nincs, de annak lehetséges körvonalai is bizonytalanok.

Az anyag fejlődése és csomókba rendeződése egy sötét energia által uralt (balra) és egy abban szegény világegyetem esetén (jobbra) (J. Hartlap), Gadget-2 (V. Springel), IFrIT (N. Gnedin))

Ajánlat:

• A legnagyobb térkép a láthatatlan anyagról
• Előttem nem volt semmi - vendégünk volt a Nagy Bumm
• Új bizonyíték a sötét energiára