A rejtélyes sötét anyag: lehet, hogy Einstein mégsem tévedett?

Albert Einstein.

Az általunk ismert univerzumnak a becslések szerint csupán alig öt százaléka látható. A világegyetem 95 százalékát felépítő láthatatlan anyag mibenléte a modern elméleti fizika egyik legizgalmasabb rejtélye.

A sötét anyag létezésére az első utalás 1933-ban történt, amikor Fritz Zwicky svájci csillagász kiszámította, hogy a Földhöz legközelebbi galaxishalmaz, a Szűz csillagképben lévő szabálytalan Virgo-halmazban nincs elég látható anyag kozmikus por és gáz, illetve csillagok formájában ahhoz,

hogy a gravitáció egyben tartsa a csillagvárosokat.

Albert Einstein az általa bevezetett kozmológiai állandót később élete legnagyobb tévedésének nevezte, ám könnyen lehet, hogy mégiscsak igaza volt ebben is Forrás: Origo

A svájci asztrofizikus vetette fel először annak elméleti lehetőségét, hogy kell léteznie valami láthatatlan anyagnak is,

amibe a Virgo-halmaz galaxisai és látható anyaga bele van ágyazva, különben a halmazt alkotó anyag szétszóródna a kozmikus térben.

A Virgo galaxishalmaz a Szűz csillagképben Forrás: Case Western Reserve University

Az asztronómusoknak minden erőfeszítés ellenére sem sikerült eddig még közvetlenül megfigyelniük a sötét anyagot, mivel az nem lép kölcsönhatásba a „rendes”, úgynevezett barionikus anyaggal, és teljesen láthatatlan a fény, illetve más elektromágneses sugárzásokhoz képest.

Az általunk ismert univerzumnak csak a töredéke látható Forrás: Adam Block/University of Arizona

Ezért a sötét anyag észlelése lehetetlen a hagyományos csillagászati megfigyelő eszközökkel.

Láthatatlan, titokzatos tömeg hálózza be az univerzumot

A tudósok azonban ennek ellenére is biztosak a sötét anyag létezésében, amelynek létére igen erős közvetett bizonyítékok utalnak. Úgy tűnik, hogy a sötét anyag jól kimutatható gravitációs hatást gyakorol a galaxisokra, illetve a galaxishalmazokra.

A sötét anyag jól kimutatható hatást gyakorol a galaxishalmazokra Forrás: NRAO/AUI/NSF; S. Dagnello

A fizika standard szabályai szerint például a spirális galaxisok karjai szélénél elhelyezkedő csillagoknak sokkal lassabban kellene haladniuk a térben, mint azoknak, amelyek közelebb vannak a galaxis nagy anyagsűrűségű középpontjához. Ám a megfigyelések azt mutatják, hogy a csillagok többé-kevésbé ugyanolyan sebességgel keringenek, tekintet nélkül arra, hogy hol helyezkednek el a galaktikus korongban.

Az univerzumban a galaxisok közötti teret forró gáz tölti ki (a kép illusztráció) Forrás: NASA/ESA

Ezért az asztrofizikusok azt feltételezik, hogy a külső, úgynevezett határcsillagokra egy láthatatlan tömeg, a sötét anyag gravitációs ereje gyakorol hatást. A sötét anyag létezésére a másik fontos közvetett bizonyíték, hogy a galaxishalmazoknak jóval nagyobb a tömegük, mint amit a látható csillagok és intersztelláris (csillagközi) gáz, illetve por tömege indokolna.

Vera Rubin amerikai asztrofizikus vetette fel először a hiányzó tömeg jelentőségét Forrás: Smithsonian Magazine

A korai 1970-es években Vera Rubin amerikai csillagász mutatta ki a hiányzó tömeg jelentőségét, a spirális galaxisok külső régióinak forgási sebességéből. Az 1970-es évektől a sötét anyag létezésére vonatkozó bizonyítékok még tovább erősödtek. A sötét anyag megmagyarázhat olyan optikai illúziókat is, amelyeket a csillagászok az univerzum távoli vidékein tapasztalnak.

A sötét anyag Tejút körüli eloszlásának (kék szín) művészi illusztrációja Forrás: Wikimedia Commons

Ilyen jelenségek többek között a nagy távolságban lévő galaxisok körül észlelhető furcsa fénygyűrűk és fényívek, amelyek léte megmagyarázható, ha e távoli galaxisok fényét a sötét anyag láthatatlan felhői eltorzítják, illetve megnagyítják, ez egy olyan jelenség, amelyet a csillagászok gravitációs lencsehatásnak neveznek.

Van néhány ötlet, hogy mi is lehet a sötét anyag

Arra, hogy miből is állhat a sötét anyag, a kutatók még nem tudják a választ. Jelenleg sokkal könnyebben meg tudják mondani, mi nem a sötét anyag. A sötét anyag – elnevezésével ellentétben – valójában nem sötét, hanem láthatatlan.

A sötét anyag hálózata (kék színnel) mentén csomósodó fénylő gázanyag Forrás: MIT/Illustris, Nature

A sötét jelzőt azért kapta, mert nem tudják, hogy mi lehet az. A fény áthalad rajta, anélkül, hogy elnyelődne vagy szóródna, függetlenül a fény típusától.

Ez azt jelenti, hogy nem állhat sem atomokból, sem pedig az atomot felépítő részecskékből.

Az egyik vezető hipotézis szerint a sötét anyag úgynevezett egzotikus részecskékből áll, amik nem lépnek kölcsönhatásba sem a normál anyaggal, sem pedig a fénnyel, mégis van gravitációs hatásuk.

Az Abell 3827 galaxishalmaz. A középső csillagokat körülvevő kékes színű struktúra a távolabbi háttérgalaxisok fényét eltorzító gravitációs lencsehatás következménye Forrás: ESO

Számos tudóscsoport dolgozik azon, hogy sötétanyag-részecskéket generáljon.

Az egyik csoport a CERN Nagy Hadronütköztetőjével (CERN's Large Hadron Collider) végez ilyen típusú kísérleteket. A sötét anyag nem felel meg a Standard Modell egyik kölcsönhatásának sem.

Részlet a CERN nagy hadronütköztetőjéből. A kvantummechanika egyik legnagyobb kérdése, mint a sötét anyag problematikája, még megoldásra vár Forrás: CERN

A Standard Modell az univerzum működését mutatja be, és leírja a rendes anyag legfontosabb vonatkozásait úgy, ahogyan mi ismerjük, négy alapvető erővel, az elektromágneses, a gyenge, az erős és a gravitációs kölcsönhatással.

Az atommag részecskéit az erős kölcsönhatás tartja egyben Forrás: Wikimedia Commons

A természet négy alapvető ereje az erős kölcsönhatás (ez tartja össze az atommagban a protonokat és a neutronokat, valamint az ezeket alkotó részecskéket, nagyon erős, de csak kis távon, az atommagon belül hat), a gyenge kölcsönhatás (a radioaktivitás), az elektromágneses erő (nagy hatótávolságú, de csak az elektromos töltésű részecskékre gyakorol hatást) és a gravitációs erő.

Csak a gravitációval lép kölcsönhatásba

A gravitációs erő túlmegy a Standard Modellen,

ez a kölcsönhatás az általános relativitáselmélethez tartozik.

A Standard Modell foglalja magában azokat a kérészéletű, például a kvarkokból álló részecskéket, amelyek nagyon gyorsan elbomlanak, vagy pedig az olyan „hétköznapi” részecskéket is, amelyeket nehéz nyomon követni, ilyenek például a neutrínók.

Albert Einstein alkotta meg az általános relativitáselméletet. A gravitációs erő túlmegy a Standard Modellen, ez a kölcsönhatás az általános relativitáselmélethez tartozik Forrás: Popperfoto/Getty Images/2011 Popperfoto/Popperfoto/Getty Images

Noha a sötét anyag nem lép kölcsönhatásba az elektromágneses, valamint az erős kölcsönhatással, ám a gravitációval igen, ha megértjük ennek működését, néhány nyomra bukkanhatunk arra vonatkozólag, hogy miből is áll a sötét anyag.

Az SN 1987A jelű szupernóva, az elsőként regisztrált extragalaktikus neutrínóforrás Forrás: ESA/Hubble

Annak ellenére, hogy a neutrínók extrém mennyiségben léteznek, és nincsenek rájuk hatással az elektromos erők,

túl könnyűek és ezért túl forróak ahhoz, hogy a sötét anyag bázisául szolgáljanak.

A legígéretesebb sötétanyag-jelölt, ami átfogja az összes szóba jöhető lehetőséget, egy gyengén ható súlyos-masszív részecske, a Wimp.

A Wimp teoretikus gyűjtőfogalom a sötét anyaghoz tartozó feltételezett részecskékre Forrás: Chandra X-ray Observatory

A Wimp azonban igen tág kategória.

A modellek ugyanis nem jeleznek előre a Wimp-jelöltek számára bármiféle specifikus tömeget,

ezért a lehetséges értékek skáláinak szinte végtelen sorával kell szembenéznie a kísérleti fizikusoknak.

A CERN tudósainak eddig a Higgs-bozon azonosítása volt a legjelentősebb sikere Forrás: AFP/CERN

Ez egyébként nem csak a Wimp sajátságos problémája, mert a Higgs-bozonnak sincs előre jelzett specifikus tömege, mégis sikerült bebizonyítani a létezését.

Peter Higgs Nobel-díjas brit atomfizikus, aki elméleti úton megjósolta a róla elnevezett „isteni részecske”, a Higgs-bozon létezését Forrás: AFP/Fabrice Coffrini

A sok probléma ellenére a választékos kísérletek és megfigyelések segítettek lefaragni ezt a meglehetősen széles skálát.

Egzotikus erők rejtélyes kavalkádja

Ha a részecskeérzékelők nem tudják felfedni a sötét anyag rejtélyét, adva van még egy másik lehetőség.

Ahogy a normál anyagnak van antianyagpárja, úgy a sötét anyagnak is kell hogy legyen ellenpárja.

Indirekt bizonyíték lehetne erre a sötét anyag–antisötétanyag párok annihilációjának kimutatása az univerzum sűrű régióiban.

Az univerzum története az ősrobbanástól Forrás: ELTE

Persze könnyen lehet, hogy a sötét anyag mégsem Wimp. Ha pedig nem az, akkor igen valószínű, hogy a Standard Modell négy kölcsönhatása nem az egyetlen lehetősége annak, ahogy a sötét anyag reagálhat a normál anyagra.

Valószínű, hogy a sötét anyag egyetlen kölcsönhatással sem lép reakcióba a normál anyaggal, csak a gravitáción keresztül.

Amit a környező világból láthatunk, csak törtrésze az univerzumnak Forrás: Origo

Ha ez a helyzet, a Wimp a legjobb remény arra, hogy sötétanyag-annihilációt keressük a kozmoszban. Más kutatók viszont úgy vélik, hogy a sötét anyag hatásait sokkal jobban megmagyarázhatnánk,

ha alapvetően megváltoztatjuk a gravitációs teóriáinkat.

A galaxisokat mozgató és a csillagközi térben érvényesülő gravitáció merőben más, mint amit itt a Földön érzékelünk Forrás: ESO/M. Kornmesser

A gravitációnak ugyanis több formája létezik, és az a gravitáció, ami a galaxisokat irányítja, merőben eltér attól, amihez hozzá vagyunk szokva.

Könnyen lehetséges, hogy mégsem tévedés Einstein legnagyobb tévedése

A sötét energia még rejtélyesebb, erre még elfogadható, valószínű feltételezések sincsenek, mint a sötét anyag esetében. Felfedezése az 1990-es években teljesen sokkolta a tudósokat. Korábban az elméleti fizikusok azt feltételezték, hogy a gravitáció hatására az univerzum tágulása lelassult az idők során, de amikor két független csapat próbálta megmérni a sebességcsökkenés mértékét, azt találták, hogy éppen ellenkezőleg, a tágulás sebessége nem csökken, hanem gyorsul.

Eleinte úgy vélték, hogy az ősrobbanás hatására táguló világegyetem tágulási sebessége az idők folyamán lelassul, ám a megfigyelések ennek pont az ellenkezőjét mutatják Forrás: Solar Story

A tudósok most úgy gondolják, hogy az egyre gyorsuló tágulást egyfajta taszítóerő vezeti, amit a kvantumfluktuáció, vagyis a virtuális részecskék folyamatos megjelenése és megsemmisülése generál a vákuumban.

A sötét energia létét Einstein kozmológiai állandója is előrevetítette Forrás: TrendinTech

Hogy még bonyolultabb legyen a helyzet, úgy tűnik, hogy az univerzum tágulásával ez az erő is növekszik. Ez a sötét anyaghoz hasonlóan ugyancsak rejtélyes erő a sötét energia. Egy ötlet szerint a sötét energia az ötödik alapvető kölcsönhatás, a kvintesszencia, ami kitölti az univerzumot, mint egy folyadék.

Sok tudós rámutat, hogy a sötét energia ismert tulajdonságai megfelelnek a kozmológiai állandónak.

A kozmológiai állandó Albert Einstein szerint egy olyan taszító erő, ami ellensúlyozza a gravitációt, megakadályozva ezzel, hogy az univerzum összeomoljon, magába roskadjon. Bár Einstein számításai azt mutatták, hogy a világegyetem dinamikus, ő mégis úgy gondolta, hogy statikus, ezért is vezette be az egyenleteibe a kozmológiai állandót, hogy statikussá tegye az univerzumot.

Einstein vezette be a kozmológiai állandót, amit később legnagyobb tévedésének nevezett Forrás: Wikimedia Commons

Amikor a csillagászati megfigyelések kimutatták azonban a világegyetem tágulását, Einstein kivette egyenleteiből a kozmológiai állandót, amit élete legnagyobb tévedésének nevezett.

De könnyen lehetséges, hogy Albert Einstein mégsem tévedett.

Most, amikor már egyértelműen látjuk, hogy az univerzum gyorsulva tágul, a sötét energia, mint kozmológiai állandó magyarázatot adhat arra, hogy a téridő is megnyúlik.