Sötét anyag – mi ez? Definíció, bizonyítékok és kozmikus szerepe

Sötét anyag: mi ez? Definíció, bizonyítékok és szerepe a világegyetemben — felfedezések, megfigyelések és a kozmológiai jelentőség áttekintése.

A sötét anyag egy olyan anyagtípus, amelyről úgy gondolják, hogy a világegyetem tömegének nagy részét adja. Nem bocsát ki, nem nyel el és nem ver vissza olyan elektromágneses sugárzást (például fényt vagy röntgensugárzást), amelyet közvetlen távcsöves megfigyelésekkel láthatnánk, ezért létezésére elsősorban gravitációs hatásai alapján következtetünk.

Miért hozták fel először a sötét anyag gondolatát?

Az ötlet akkor merült fel, amikor a csillagászok megállapították, hogy a nagy csillagászati objektumok tömege és gravitációs hatása sokkal nagyobb, mint a csillagokat, gázt és port tartalmazó "fényes anyag" tömege. A sötét anyagot először Jan Oort javasolta 1932-ben, mint a Tejútrendszerben lévő csillagok forgási sebességének okát. Fritz Zwicky 1933-ban a sötét anyaggal magyarázta a halmazokban lévő galaxisok forgási sebességeinek "hiányzó tömegét".

Legfontosabb bizonyítékok

Később számos más megfigyelés is arra utalt, hogy a világegyetemben sötét anyag van. A legmeggyőzőbb bizonyítékok közé tartoznak:

• Galaxisok forgási görbéi: a galaxisok peremén a csillagok keringési sebessége nem csökken a vártnak megfelelően a sugárral, ami extra, láthatatlan tömeget feltételez.
• Gravitációs lencsehatás: háttérobjektumok gravitációs lencsézése észlelhető, amely során a tömegeloszlás nagysága és elhelyezkedése több tömeget jelez, mint ami a látható anyagból következne.
• Galaxisközi és galaxishalmazok gázának hőmérsékleti eloszlása: a forró, röntgensugárzó gáz eloszlása és hőmérséklete a halmazokban nagy tömeget igényel a megfigyelt gravitációs tér létrehozásához.
• Kozmikus háttérsugárzás (CMB): a Planck-misszió és más megfigyelések a korai univerzum sűrűségeltolódásai alapján azt mutatják, hogy az anyageloszlásban jelentős rész nem baryonikus.
• Nagy léptékű szerkezetek kialakulása: a galaxisok és halmazok eloszlása, valamint a struktúra növekedésének üteme csak akkor egyezik a megfigyelésekkel, ha létezik hideg, lassan mozgó sötét anyag, amely magvakat szolgáltat a szerkezetek kifejlődéséhez.
• A „Bullet Cluster” (2006): két galaxishalmaz ütközésének megfigyelése során a tömeg nagy része eltolódott a forró gázban található baryonikus anyagtól; a gravitációs teret a gáz helyett olyan tömeg okozta, amely nem ütközött — ezt a jelenséget sokan a sötét anyag erős bizonyítékának tekintik.

Mennyi sötét anyag van?

A Planck-misszió kutatócsoportja szerint a kozmológia standard modellje alapján az ismert világegyetem teljes tömeg-energiája körülbelül 4,9% közönséges anyagot (baryonokat), 26,8% sötét anyagot és 68,3% sötét energiát tartalmaz. Ez azt jelenti, hogy a teljes anyagi (baryonikus + sötét) tartalom nagyjából 84,5%-át a sötét anyag adja, míg a sötét anyag és a sötét energia együttesen az univerzum teljes energiatartalmának mintegy 95,1%-át teszik ki.

A sötét anyag tulajdonságai és jelölt részecskék

A jelenlegi konszenzus szerint a sötét anyag legfontosabb tulajdonságai:

• Nem elektromágnesesen kölcsönható: nem bocsát ki és nem nyel el elektromágneses sugárzást, ezért „láthatatlan”.
• Gravitációsan hat: tömege révén befolyásolja a téridő görbületét és a látható anyag mozgását.
• Nem főként baryonikus: a korai univerzum nukleoszintéziséből és egyéb megfigyelésekből az következik, hogy a sötét anyag döntő többsége nem a Földön ismert atomokból áll.
• Kollíziómentes (vagy gyengén ütköző): a halmazok ütközésekor nem viselkedik úgy, mint a gáz (ami sokat veszít kinetikus energiájából), hanem átjárja az ütközés terét.
• Hideg, meleg vagy forró: a részecskék sebessége befolyásolja a szerkezetképződést; a megfigyelések a „hideg sötét anyag” (lassan mozgó részecskék) modelljét támogatják.

Fő jelöltek a részecskéfizikában:

• WIMP-ek (Weakly Interacting Massive Particles): nehéz, gyengén kölcsönható részecskék; sok elmélet (például a szuperszimmetria bizonyos verziói) ilyeneket jósol.
• Axionok: nagyon könnyű, gyengén kölcsönható részecskék, amelyek eredetileg a kvantum-színdinamika CP-problémájának megoldására lettek javasolva, de alkalmasak sötét anyagnak is.
• Steril neutrínók: a Standard Modell kiterjesztéseihez tartozó, nem standard neutrínószerű részecskék; meleg sötét anyag jelöltek lehetnek.
• Primordiális fekete lyukak (MACHO-k): makroszkopikus, gravitációs objektumok; keresések és mikrolencse-eredmények azonban nem támasztják alá, hogy ezek alkotják a teljes sötét anyagot.

Kísérletek és megfigyelések a felfedezéshez

A sötét anyag természetének feltárására három fő megközelítés létezik:

• Közvetlen detektálás: földi kísérletek, amelyekben a Földön lévő érzékeny detektorok megpróbálják mérni a sötét anyag részecskék ritka ütközéseit az atommagokkal. Példák: XENON, LUX, PandaX, CDMS, DAMA/LIBRA és mások. Eddig nincs általánosan elfogadott közvetlen kimutatás; több kísérlet erős korlátokat állított fel a részecskék keresztmetszetére és tömegére vonatkozóan.
• Közvetett detektálás: a sötét anyag annihilációs vagy bomlási termékeinek (gamma-sugarak, antirészecskék, neutrínók) keresése asztrofizikai adatokban. Ilyen vizsgálatokat végez az AMS az űrben, a Fermi-LAT gamma-observatórium, IceCube és mások.
• Részecskegyorsító kísérletek: például az LHC, ahol új, gyengén kölcsönható részecskéket próbálnak előállítani és közvetetten kimutatni a hiányzó tömeg és energiamezők alapján.

Alternatívák és viták

Noha a sötét anyag modellje ma a legszélesebb körben elfogadott magyarázat, léteznek alternatív elméletek is. A legismertebb ezek közül a MOND (Modified Newtonian Dynamics) és más módosított gravitációs elméletek, amelyek a gravitáció törvényeit változtatják meg nagy léptékeken, ezzel próbálva megmagyarázni a forgási görbéket anélkül, hogy rejtett tömeget tételeznének fel. Ezek az elméletek azonban nehezen egyeztethetők össze a CMB-vel és a nagy léptékű szerkezetképződés megfigyeléseivel, valamint a Bullet Cluster-szerű rendszerek adataival, ezért a legtöbb kutató ma is a sötét anyagra alapozott magyarázatot részesíti előnyben.

Kozmikus szerepe

A sötét anyagnak döntő szerepe van a világegyetem szerkezetének kialakulásában és fejlődésében:

• Megadja azokat a gravitációs potencálokat, amelyek köré a baryonikus anyag összegyűlhet, így a galaxisok és galaxishalmazok kialakulásának magvait szolgáltatja.
• Befolyásolja a galaxisok dinamikáját, a forgási görbéket és a haló-szerkezetet, amelyben a látható galaxisok ülnek.
• Formálja a kozmikus háttérsugárzásban megfigyelt anizotrópiákat és a nagy léptékű csomósodási mintázatokat.

Jelenlegi helyzet és jövő

Bár erős közvetett bizonyítékaink vannak a sötét anyag létezésére, természetét még nem sikerült közvetlenül kimutatni. A kutatás frontvonalán zajló kísérletek — földi detektorok, űrbeli műszerek, nagy gyorsítók és precíziós asztrofizikai megfigyelések (például a közeljövőben működő vagy adatokat szolgáltató teleszkópok és küldetések) — mind azon dolgoznak, hogy egyértelmű választ adjanak arra a kérdésre: miből áll a sötét anyag?

Összegzésként: a sötét anyag ma a kozmológia és asztrofizika egyik legfontosabb, megoldásra váró problémája. Bár a bizonyítékok erősek, a valódi fizikai természetének feltárása további kísérleteket, elméleti fejlesztéseket és megfigyeléseket igényel.

Kérdések és válaszok

K: Mi az a sötét anyag?

K: Hogyan vélekednek a tudósok a sötét anyag létezéséről?

K: A sötét anyag hány százalékot tesz ki a világegyetemben?

K: Hogyan tudjuk kimutatni a sötét anyagot?

K: Mit állított tudósok egy csoportja, hogy 2006-ban megtalálták a módját annak, hogy észleljék?

K: Milyen példák utalnak arra, hogy a világegyetemünkben sötét anyag van jelen?

Keresés betűvel