Képzeld el, hogy belépsz egy szobába, ahol látod a bútorokat, a falakat és a lámpát, de amikor megpróbálod megemelni az asztalt, kiderül, hogy az valójában több tonnát nyom. Megnézed a szerkezetét, de nem találsz benne ólmot vagy nehézfémet – az anyaga pont olyannak tűnik, mint a fa. Aztán észreveszed, hogy a porcicák a sarokban nem hullanak le a földre, hanem keringeni kezdenek valami láthatatlan tömeg körül. Valami hasonló zavarodottságot éreznek a csillagászok évtizedek óta: a számításaink szerint az univerzumunk nagy része egyszerűen „hiányzik”.
A hiányzó tömeg rejtélye
A történet az 1930-as években kezdődött Fritz Zwicky svájci csillagásszal, majd az 1970-es években Vera Rubin munkásságával vált megkerülhetetlenné. Rubin a galaxisok forgási sebességét vizsgálta. A Newton-féle gravitációs törvények szerint a galaxisok szélén lévő csillagoknak sokkal lassabban kellene keringeniük, mint a középponthoz közelieknek – hasonlóan ahhoz, ahogy a Naprendszerünkben a távoli Neptunusz sokkal komótosabban halad, mint a belső Merkúr.
A megfigyelések azonban mást mutattak: a galaxisok peremén lévő csillagok szinte ugyanolyan sebességgel száguldanak, mint a belső területeken lévők. Olyan sebességgel haladnak, amelynél már rég ki kellene repülniük a galaxisból az űrbe. Mégsem teszik. Valami „láthatatlan ragasztó” egyben tartja őket. Ez a valami hatalmas tömeggel rendelkezik, de nem bocsát ki fényt, nem nyeli el azt, és nem is veri vissza. Ez a sötét anyag.
A sötét anyag és a sötét energia különbsége
Gyakran összekeverik a kettőt, pedig funkciójukat tekintve ellentétesek. Míg a sötét anyag a kozmikus „ragasztó”, amely összehúzza a galaxisokat és segíti a struktúrák kialakulását, addig a sötét energia a „taszítóerő”, amely az univerzum tágulását gyorsítja. A jelenlegi mérések szerint a látható anyag – minden, amit látunk: csillagok, bolygók, te és én – az univerzum mindössze 5%-át teszi ki. A sötét anyag 27%-ot, a sötét energia pedig a maradék 68%-ot adja. Ez azt jelenti, hogy a valóságunk 95%-áról gyakorlatilag fogalmunk sincs.
Miből állhat a láthatatlan?
A fizikusok évtizedek óta keresik a sötét anyag részecskéit. Számos elmélet született, de egyiket sem sikerült még közvetlenül bizonyítani:
- WIMP-ek (Weakly Interacting Massive Particles): Gyengén kölcsönható, nagy tömegű részecskék. Ezek olyanok, mint a szellemek: átmennek a falakon és rajtunk is anélkül, hogy észrevennénk, és csak a gravitáción keresztül lépnek interakcióba a világgal. A világ legmélyebb bányáiban elhelyezett detektorokkal vadásznak rájuk, eddig eredménytelenül.
- Axionok: Rendkívül könnyű részecskék, amelyeket eredetileg más fizikai problémák megoldására jósoltak meg. Ha léteznek, az univerzumot egyfajta „axion-tenger” töltheti ki.
- Módosított gravitáció (MOND): Néhány kutató szerint nem új anyagra van szükség, hanem a gravitációról alkotott elképzeléseinket kell frissíteni. Szerintük nagy léptékekben (galaktikus szinten) a gravitáció máshogy működik, mint amit a Földön megszoktunk.
A sötét anyag térképezése: A gravitációs lencse
Hogyan láthatunk valamit, ami láthatatlan? Einstein általános relativitáselmélete adta meg a választ. A nagy tömegű objektumok görbítik a téridőt, így a mögöttük lévő fény elhajlik. Ezt hívjuk gravitációs lencsézésnek. Amikor a csillagászok távoli galaxishalmazokat figyelnek meg, gyakran látnak elnyúlt, ív alakú fényfoszlányokat. Ezekből ki tudják számolni, mennyi tömegnek kell ott lennie, hogy ilyen mértékben elgörbítse a fényt. Az eredmények mindig ugyanoda vezetnek: sokkal több tömeg van ott, mint amennyit a látható csillagok indokolnának.
Miért fontos ez nekünk?
Sokan kérdezik: miért költünk milliárdokat valamilyen láthatatlan részecske keresésére a mélyűrben? A válasz egyszerű: a sötét anyag nélkül mi sem léteznénk. A korai univerzumban a sötét anyag csomósodása hozta létre azokat a gravitációs „kádakat”, amelyekbe a normál gáz és por belefolyhatott, hogy aztán csillagokká és galaxisokká álljon össze. Sötét anyag nélkül az univerzum csak egy egyenletesen szétoszlott, unalmas gázfelhő lenne.
A jövő kilátásai
A 2026-os évben (amelyben most járunk) az új generációs űrtávcsövek és a nagy hadronütköztető (LHC) fejlesztései minden eddiginél közelebb vihetnek minket a megoldáshoz. Ha sikerülne detektálni a sötét anyag részecskéjét, az az emberiség történetének egyik legnagyobb tudományos áttörése lenne – egy olyan új ablakot nyitna a fizika számára, amilyet utoljára az elektromágnesesség vagy a kvantummechanika felfedezése jelentett.
