Tamna tvar

Kad astronom kaže da u svemiru ima tamne tvari, ne kaže da ju je vidio. Kaže da je izmjerio kako se zvijezde, plin i svjetlost gibaju i da se ta gibanja ne mogu objasniti masom koju vidimo. Ta razlika između izmjerenog i pretpostavljenog ključ je cijele priče.

Skup Coma i nedostajuća masa

Švicarski astronom Fritz Zwicky, koji je radio na Kalifornijskom institutu za tehnologiju, 1933. proučavao je skup galaksija Coma, udaljen stotinama milijuna svjetlosnih godina. Iz brzina pojedinih galaksija procijenio je koliko mase skup mora imati da ga gravitacija drži na okupu. Rezultat je bio stotinama puta veći od mase koju je mogao pripisati svjetlu galaksija. Zwicky je u članku na njemačkom napisao da bi skup mogao sadržavati mnogo više "tamne tvari" nego svijetle. Njegov je račun bio grub i dio razlike poslije se pokazao kao posljedica pogrešne udaljenosti, ali nesklad nije nestao.

Desetljećima se o tome malo raspravljalo. Promjena je došla s Verom Rubin, astronomkinjom s Carnegiejeva instituta u Washingtonu, i njezinim suradnikom Kentom Fordom. Godine 1970. objavili su mjerenja vrtnje galaksije Andromede. Ako je većina mase galaksije u njezinu svijetlom središtu, zvijezde na rubu trebale bi kružiti sporije, kao što vanjski planeti Sunčeva sustava kruže sporije od unutarnjih. Rubin i Ford izmjerili su da brzina na rubovima ne pada. Do 1980. Rubin je s Fordom i Normanom Thonnardom isto pokazala za cijeli niz spiralnih galaksija. Galaksije se ponašaju kao da su uronjene u golem, nevidljiv oblak mase.

Mjerenje, hipoteza i spekulacija

Kod tamne tvari pomaže razdvojiti tri razine.

Izmjereno je da se galaksije vrte prebrzo, da se galaksije u skupovima gibaju prebrzo i da masivni skupovi galaksija skreću svjetlost udaljenijih objekata jače nego što bi mogla vidljiva masa. Izmjeren je i raspored sitnih razlika u temperaturi kozmičkog pozadinskog zračenja, najstarije svjetlosti u svemiru, koju je satelit Planck snimio s velikom točnošću. Taj se raspored dobro poklapa s modelom u kojem je tamne tvari oko pet puta više nego obične.

Hipoteza je da je ta masa načinjena od čestica koje ne svijetle, ne upijaju svjetlost i gotovo ne djeluju s običnom tvari, osim gravitacijom. Fizičari su predložili više kandidata, od teških čestica nazvanih WIMP do vrlo lakih aksiona. Druga hipoteza, koju je 1983. iznio izraelski fizičar Mordehai Milgrom, kaže da tamne tvari nema, nego da gravitacija pri vrlo malim ubrzanjima djeluje jače nego što predviđa Newtonov zakon. Ta ideja, nazvana MOND, dobro opisuje vrtnju pojedinih galaksija, ali teže objašnjava skupove galaksija i pozadinsko zračenje.

Spekulacija je sve ono o čemu za sada nema mjerenja: da se tamna tvar sastoji od crnih rupa nastalih u prvim trenucima svemira, da postoji cijeli "tamni sektor" s vlastitim silama ili da su tamna tvar i tamna energija dvije strane iste pojave.

Sudar dvaju skupova

Jedno od najčešće navođenih mjerenja potječe iz 2006. Douglas Clowe i suradnici proučili su skup galaksija Metak, nastao sudarom dvaju skupova. Vrući plin, koji čini većinu obične mase, pri sudaru se usporio i zaostao u sredini, gdje ga satelit Chandra vidi u rendgenskom zračenju. Skretanje svjetlosti pokazuje, međutim, da je većina mase otišla dalje, zajedno s galaksijama. Autori su to nazvali izravnim dokazom postojanja tamne tvari, jer se masa i vidljiva tvar tu nalaze na različitim mjestima. Zagovornici izmijenjene gravitacije odgovaraju da njihove teorije, uz dodatne pretpostavke, mogu objasniti i taj skup, iako s teškoćama.

Lov na čestice

Ako je tamna tvar načinjena od čestica, kroz svaki bi ih čovjek trebao prolaziti mnoštvo u svakoj sekundi. Detektori duboko pod zemljom, u rudnicima i ispod planina, desetljećima čekaju da neka od njih udari u atomsku jezgru. Pokus LUX-ZEPLIN, s desetak tona tekućeg ksenona u bivšem rudniku zlata u Južnoj Dakoti, 2023. objavio je prve rezultate: nije bilo udara koji bi se razlikovali od pozadine. Ni Veliki hadronski sudarač u CERN-u nije stvorio nove čestice koje bi odgovarale tamnoj tvari. Svaki takav izostanak isključuje dio mogućnosti, ali ne i samu ideju.

A onda i tamna energija

Godine 1998. dvije skupine astronoma, koje su vodili Saul Perlmutter te Brian Schmidt i Adam Riess, mjerile su udaljene eksplozije zvijezda, supernove tipa Ia. Očekivale su da će izmjeriti koliko se širenje svemira usporava. Izmjerile su da se ubrzava. Uzrok tog ubrzanja nazvan je tamnom energijom, a za otkriće su trojica znanstvenika 2011. dobila Nobelovu nagradu za fiziku.

Tamna energija nije isto što i tamna tvar. Tamna tvar privlači i skuplja galaksije, a tamna energija djeluje kao da razmiče sam prostor. Najjednostavnije objašnjenje je kozmološka konstanta, energija praznog prostora koja se ne mijenja s vremenom. Mjerenja instrumenta DESI u Arizoni, objavljena 2024. i 2025., pokazala su da bi se tamna energija ipak mogla mijenjati, ali ta razlika još nije dovoljno sigurna da bi se smatrala otkrićem.