Какво ѝ е тъмното на тъмната материя?

Нека да си представим, че е нощ. Навън е хубава и ясна вечер, в която „звезди обсипват свода небесен“. За да ги видим, макар и в мисловния си експеримент, ще трябва да си представим, че сме на място, което е отдалечено от големите градове. Място със слабо светлинно или въздушно замърсяване. Вглеждаме се в безкрайната, за нашите представи, Вселена и сякаш оставаме напълно сами. Изглежда, че някой е бутнал гигантска купа с мляко и то се е разляло върху небесната покривка. Поне такива са били мислите на първите откриватели на нашата галактика – Млечния път. Но ние сме доста по-напреднали от тях, а нощта е толкова ясна, че можем да видим с просто око и Андромеда, най-близката галактика до нашата. Тя също така е и доста подобна на нея. Спираловидна, но с над 2 пъти повече звезди. А изглежда толкова малка и неясна от нашето местоположение. 

Artist’s impression of the Milky Way Galaxy, as seen from above the galactic “North pole”. Credit: NASA

Свят да ти се завие

Нека нашето наблюдение се съсредоточи именно върху галактиките. Това, което със сигурност знаем, е че те се въртят около своя център с дадена скорост. Веднага изникват два въпроса – с каква скорост се случва това движение и къде ще се движим по-бързо – близо до центъра или далече от него, хванали се за някой ръкав на спиралата. Ако продължим с мисловните си експерименти, нещо което Айнщайн със сигурност би одобрил, то по пътя на логиката трябва да разгледаме въртящ се обект. Да си представим, че сме на въртележка, макар децата от 90-те да нямаха особено големи шансове да си играят на работещи такива. Когато се намираме по-близо до центъра на въртележката, на нас ни се струва, че се въртим по-бързо, защото с нашите детектори за събития (очите) наблюдаваме как картината около нас се променя много бързо. Всъщност, това не е точно така. 

Тъй като ние сме почти до центъра, при едно завъртане всъщност обикаляме около много малко кръгче – центъра на въртележката. Нека сега се повозим на някое конче, което се намира по-далече от центъра на въртележката. Да поставим и един крачкомер на някое от копитата на кончето. Тогава, за същото време, ние всъщност ще изминем доста по-голямо разстояние. От известната от началното училище формула знаем, че пътят е равен на скоростта по времето. Тогава можем да заключим, че далече от центъра, ние се движим с по-голяма скорост. Това е т. нар. модел на въртене на твърдо тяло. Той, разбира се, е неприложим за галактиките. Дори не е приложим и за Слънчевата система, защото, очевидно, тя не е едно огромно твърдо тяло. Има значителни „празни“ пространства между планетите. 

Photo by Devon Rogers on Unsplash

С каква скорост се въртят галактиките? 

Да разгледаме един по-опростен модел на система, подобна на Слънчевата. Нека в центъра имаме относително голяма звезда и на някакво разстояние от нея – планета. От редакционната колегия ми забраниха да пиша „сложни“ формули, но след като приложим законите на небесната механика можем да заключим като извод, че скоростта на планетата, която се движи около звездата, ще намалява като единица върху корен от разстоянието. Или казано на по-достъпен език – колкото по-далече от звездата се намира планетата, толкова по-бавно ще се движи тя. Този модел би трябвало да описва поведението на дадена въртяща се галактика – т.е. обектите, които се намират по-далече от центъра на галактиката да се движат с по-ниска скорост от тези, които се намират близо до центъра. На теория звучи добре, но не това показал експериментът. 

Вера Рубин първа направила измерване на скоростта на въртене на галактиките и открила, че скоростите на движение по периферията и тези близо до галактичното ядро са сходни. (Обърнете внимание, че този резултат е изключително любопитен и напълно изключва предходните модели, които разгледахме! Казано неформално – истината се оказва някъде по средата). Това била ясна индикация, че трябва да има някаква невидима материя, която забързва обектите от галактиката (нали си спомняте от предния модел, че обектите, които са далече, трябва да се движат по-бавно от тези, които са близо до центъра – значи невидимата материя трябва да ги ускорява). Нещо, което взаимодейства единствено и само гравитационно (поне от познатите ни за момента четири фундаментални взаимодействия*) с тези обекти.

By PhilHibbs – Own work in Inkscape 0.42, CC BY-SA 3.0

Има нещо тъмно в цялата работа, което не можем да видим. Трябва да споменем и изследванията на Франц Цвики от 1933 година (40 години преди изследванията на Вера Рубин), който се опитвал да определи масата на клъстера** Косите на Вероника. Той получил неочаквано големи резултати, 400 пъти по-големи от предвидените такива. Те също можели да се обосноват единствено с наличието на „невидима“ материя. Това било определено като „проблем за липсващата маса“. Отговорът на тези две наблюдения днес е известен като т. нар. тъмна материя и изгражда приблизително 24% от нашата Вселена. Но от какво е изградена тя?

Credit: NASA/ESA

Тъмната материя – тъмна Индия за науката… 

Един от най-големите въпроси пред съвременната физика е да разберем от какво е съставена тъмната материя. Има множество хипотетични частици и обекти, които са добри кандидати за тъмна материя, но към момента не можем да излъчим експериментално победител сред тях. Ако и вие искате да се явите на кастинга за тъмна материя, то изискването е да взаимодействате единствено и само гравитационно с обектите около вас (приемат се и определени „тъмни“ взаимодействия, стига да не преминавате границите на науката). Именно това, че тази материя взаимодейства единствено и само гравитационно, я прави толкова трудна за изследване. Задачата е изключително сложна, но пък кой знае? Може съвсем скоро някой сред нас да хвърли светлина върху тъмната материя… 

Тази статия има за цел да запознае читателя с една интуитивна представа за тъмната материя. Нейната природа е много интересна и сложна, а доказателствата за наличието ѝ са неоспорими. Много различни теоретични модели показват съществуването ѝ, но те биха били по-сложни за разбиране при първа среща с въпросния физичен обект. Опитах се да проследя донякъде очевидни мисли и да отговоря на логичните въпроси на човек, който не се занимава с физика, но би гледал с любов нощното небе. Ако нещо е останало неясно или пък искате да научите още за тайните на Вселената, може да ми пишете или да оставите коментар под статията. Прилагам и следните бележки под линия: 

* Фундаменталните взаимодействия във физиката биват четири – гравитационно, електромагнитно, слабо ядрено и силно ядрено. Една от мечтите на съвременните физици е да съставят теория, която обединява всички взаимодействия. 

**    Галактическия клъстер е суперструктура, съставена от няколко галактики.

Please follow and like us:
error
Радослав Симеонов

About Радослав Симеонов

Ако имате въпроси, критика или просто искате да си поговорите с Радо за наука, литература или нещата от живота, може да се свържете с него на radoslav@hora.today

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *