Prieš keletą dienų didžiajame naujienų portale BBC buvo publikuotas interviu su žymiu astrofiziku, kosmologijos (t.y. Visatos raidos) tyrinėtoju Karlosu Frenku (Carlos Frenk) iš Durhamo universiteto (šiaurės Anglijoje). Straipsnio pagrindinė mintis atrodo gana radikali: įvairių kompiuterinių simuliacijų rezultatai ir jų lyginimas su stebėjimų duomenimis kelia abejonių, ar dabartinė tamsiosios materijos teorija yra teisinga. Galbūt tamsioji materija išvis neegzistuoja? Kas tai per rezultatai ir kokias abejones jie kelia? Pabandysiu trumpai atsakyti į šiuos klausimus.
 
Apie tamsiąją materiją jau buvau rašęs pernai gruodį, vėliau skaičiau paskaitą Cafe Scientifique, o kovą ta pačia tema parašiau gerokai išsamesnį straipsnį technologijoms.lt. Paskaitos metu sulaukiau klausimo, į kurį atsakiau gana prastai, bet vėliau apžvelgiau platesniame straipsnyje. Tas klausimas buvo apie vieną iš pagrindinių dabartinės tamsiosios materijos teorijos problemų, vadinamą „trūkstamų palydovų problema“.
 
Problema aptikta tada, kai buvo atliktos pirmos didelio masto kosmologinės kompiuterinės simuliacijos. Tai įvyko ne taip ir seniai – mažiau nei prieš dešimtmetį. Tose simuliacijose buvo modeliuojama Visatos tamsiosios materijos raida nuo pirminio pasiskirstymo, kuris beveik neabejotinai yra labai panašus į matomą kosminėje foninėje spinduliuotėje, iki šių dienų. Kaip ir tikėtasi, nedideli tamsiosios materijos tankio svyravimai ankstyvaisiais Visatos amžiais gravitacijos dėka ėmė augti ir pavirto šiandien matomų galaktikų ir jų spiečių halais; buvo atkurta realybėje matoma hierarchinė galaktikų struktūra, t.y. mažos halai sukasi aplink didesnius, tie didesni – aplink dar didesnius arba tiesiog buriasi į grupes, ir taip toliau. Tačiau nerimą sukėlė faktas, kad simuliacijose pačių mažiausių halų (šimtus kartų mažesnių, nei mūsų Paukščių Tako) buvo gerokai daugiau, nei matome nykštukinių galaktikų. Pavyzdžiui, Paukščių Tako dydžio galaktiką turėtų supti šimtai palydovų, o jų žinoma gal tik pora dešimčių ir nepanašu, kad daug jų būtume pražiopsoję. Aišku, galbūt Paukščių Takas yra labai išskirtinė galaktika, tačiau ir Andromeda, ir kitos aplinkinės galaktikos, kurių palydovus įmanoma stebėti, jų turi gerokai mažiau, nei rodo simuliacijų rezultatai.
 
Daugelis mokslininkų greitai suprato, jog problema gali slypėti per dideliame simuliacijų supaprastinime. Reikalas tas, kad prieš dešimt metų, kai buvo paleistos pirmosios tokios simuliacijos, superkompiuteriai nebuvo pakankamai galingi, kad galėtų modeliuoti vienu metu ir tamsiąją, ir paprastą materiją. Tamsioji materija yra gana lengvai modeliavimui „pasiduodantis“ baubas – visgi ji sąveikauja tik gravitaciškai. Bet paprasta materija yra daugiausia dujos, kurios juda kaip skystimas, taigi reikia nuolat spręsti hidrodinamikos lygtis. Be to, dar prisideda dujų temperatūros pokyčiai, žvaigždėdara ir žvaigždžių evoliucija, juodųjų skylių akrecija ir energingas grįžtamasis ryšys… Kiekvienas papildomas procesas papildomai apkrauna kompiuterį, taigi pradinės simuliacijos buvo labai supaprastintos. Bet pastaruosius keletą metų įvairios tyrinėtojų grupės vystė metodus, kaip teisingai įvertinti paprastos materijos poveikį ir raidą Visatos evoliucijos metu.
 
Šių metodų duodami rezultatai yra gana įvairialypiai. Vieni lyg ir rodo, kad galaktikų dydžių pasiskirstymą galima paaiškinti vien paprastos materijos įtaka, kiti teigia priešingai, treti kažką į tarpą… Galima ir visai susipainioti ir vieningo atsakymo tikrai dar neprieita. Ir nors Durhamo kosmologų grupė (kuri pasaulyje yra viena iš rimčiausių ir žinomiausių) Karloso Frenko asmenyje pasakė, kad paprastos materijos greičiausiai neužtenka (bet žr. žemiau), tai dar toli gražu nėra galutinis sprendimas. Bet yra keletas bendrumų (kurie kartais tampa skirtumais), svarbių visiems šiems modeliams ir leidžiančių juos įvertinti bei šį bei tą atsirinkti.
 
Visų pirma, simuliacijos rodomas vaizdas visai nebūtinai atitinka tai, ką mes matome. Tamsiosios materijos, pagal apibrėžimą, pro teleskopus pamatyti negalime. O daugelyje simuliacijų, kuriose įtraukiama ir paprasta materija bei žvaigždžių evoliucija, gaunamas rezultatas, kad pačiose mažiausiose galaktikose net ir viena supernova gali „išpūsti“ beveik visas dujas, kurios vėliau sukrenta į kitas galaktikas ir tamsiosios materijos halas lieka tuščias ir nykus. Taip, pragyvenus vos vienai žvaigždžių kartai, po keleto milijardų metų nuo atsiradimo nykštukinės galaktikos užtemsta. Jei tai tiesa, tuomet ir aplink Paukščių Taką gali suktis šimtai tokių tamsių palydovų; mes tiesiog jų nematome. Teoriškai juos aptikti būtų įmanoma, užfiksavus jų kuriamą gravitacinio lęšio efektą arba nustačius jų traukos įtaką kitoms nykštukinėms galaktikoms ar net mūsų Galaktikos pakraščiams. Bet abu šie būdai yra labai sudėtingi ir gana nepatikimi, taigi visiškai nestebina tai, kad galėjome tokių tamsių palydovų ir nepastebėti.
 
Antra simuliacijų problema yra jų raiška. Kompiuteriai kol kas dar tikrai nepajėgūs modeliuoti kosmologinių (megaparsekų eilės) dydžių su mažesne nei vieno parseko raiška, ko reikėtų, norint tvarkingai simuliuoti žvaigždėdarą. Gerai, jei kosmologinė simuliacija pasiekia kiloparseko raišką; kai kurioms net ir tai nepavyksta. Raiška taip pat gali būti išreiškiama per masę – jei simuliacijoje esančios dalelės masė yra tūkstančiai Saulių (o kosmologinėse simuliacijose būna ne tūkstančiai, o milijonai), tai vėlgi apriboja rezultatų detalumą. Tai gali sukelti dvi problemas. Pirma – gali paaiškėti, jog vien pati tamsioji materija skaidosi į telkinius, mažesnius nei simuliacijos raiškos limitas. Jei ji gali sudaryti telkinius, gerokai mažesnius už mažiausias žinomas nykštukines galaktikas, tai tokiuose telkiniuose dujos paprasčiausiai nesirinktų, nes iš jų per lengva pabėgti. Taip net be žvaigždėdaros efektų susidarytų smulkių tamsių palydovų būrys prie didžiųjų galaktikų. Antra problema – gali būti, kad efektai, vykstantys gerokai mažesniu masteliu, nei skiriama simuliacijose, turi daug įtakos kosminės struktūros formavimuisi.
 
Čia prieiname prie trečios problemos – vadinamųjų „sub-grid“ receptų. „Sub-grid“, lietuviškai išverčiamas maždaug „po tinkleliu“, yra terminas, apibūdinantis visus fizikinius procesus, kurių neįmanoma modeliuoti tiesiogiai dėl per prastos simuliacijos raiškos. Dažnai tai yra jau minėta žvaigždėdara ir žvaigždžių evoliucija (ar bent jos detalės, jei modeliuojama, pvz., viena galaktika), juodųjų skylių akrecija ir spindėjimas, dujų (ypač tankių) kaitimas ir vėsimas ir panašūs procesai. Jų reikšmei įvertinti yra kuriami įvairūs „receptai“ – skaitmeniniai pusiau analitiniai modeliai, kuriuos galima įterpti į simuliacijas ir taip bent jau apytikriai numatyti norimų reiškinių įtaką tyrinėjamiems didelio masto procesams. Bet šioje vietoje sutinkame didžiulę problemą – kone kiekviena tyrimų grupė „sub-grid“ receptus naudoja vis kitokius ir kiekvieni galvoja, kad jų metodas yra pats tinkamiausias. Arba tiesiog negalvoja apie jo tinkamumą, o pasitenkina tuo, kad gauna kažkokį rezultatą. Tai yra vienas iš didesnių nesusikalbėjimo tarp astrofizikų šaltinių ir, mano nuomone, pakišo koją ir BBC straipsnyje minimiems tyrimams. Detaliau pasakoti apie šitą problemą galėčiau atskiru straipsniu, bet jis greičiausiai būtų labai nuobodus, taigi nebesiplėsiu.
 
Tokios tad yra skaitmeninio modeliavimo problemos ir kliūtys. Po truputį jos yra įveikinėjamos, bet iki kokios nors pabaigos dar labai toli. Taip ir su tamsiąja materija – vien simuliacijų rezultatai ir jų neatitikimas (kai kuriomis detalėmis!) stebėjimų rezultatams dar nereiškia, kad visa teorija neteisinga. Žymiai didesnė problema teorijai yra tai, kad LHC kol kas nerado jokių supersimetrijos teorijos patvirtinimo įrodymų, o būtent ši teorija numato keletą elementariųjų dalelių, kurios tiktų kaip tamsiosios materijos sudedamosios dalys. Eksperimento rezultatus paaiškinti gerokai sunkiau, nei kompiuterinių modelių, taigi gali būti, kad bent jau kai kurias tamsiosios materijos detales reikės peržiūrėti. Gali būti ir taip, kad prireiks permąstyti visą teoriją. Bet tai – dar ateityje. O kol kas, bent jau mano (ir daugelio kitų astrofizikų) nuomone, standartinis kosmologinis modelis, paremtas tamsiąja materija (ir energija), yra pakankamai gerai pagrįstas.