Dingusi Visatos pusė

Visatą sudaro trys pagrindiniai komponentai – tamsioji energija, verčianti erdvę plėstis vis greičiau; tamsioji materija, išlaikanti galaktikas ir jų spiečius neišsilakstančius į šalis; ir „įprasta“, arba barioninė, materija, iš kurios sudarytos žvaigždės, planetos ir mes. „Barionine“ ji vadinama todėl, kad didžiąja dalimi sudaryta iš barionų – tai yra elementariųjų dalelių junginių tipas, apimantis protonus ir neutronus. Elektronai nėra barionai, bet jų masė daug mažesnė, todėl astronomai lengva ranka juos nurašo prie barionų. Tokie jau mes esame.


Skaitmeninio Illustris modelio dalies atvaizdas. Oranžine spalva pažymėti dujų srautai, violetine – tamsiosios materijos gijos. Dujų, žvaigždžių ir kitos įprastos materijos kosmose randame mažiau, nei turėtume – kodėl? Šaltinis: Volker Springel

Kiek gi Visatoje yra tų barionų? Visų trijų komponentų kiekis paprastai išreiškiamas santykiu su vadinamuoju kritiniu tankiu. Kritinis tankis yra toks, kurio reikia, kad Visatos erdvė būtų „plokščia“ – kitaip tariant, kad joje dideliais masteliais galiotų mums įprasta, arba euklidinė, geometrija. Jei masės-energijos Visatoje yra daug, nei kritinė vertė, erdvė tampa „uždara“, panaši į sferos paviršių, o jei mažiau – „atvira“, panaši į balną. Tuo tarpu plokščioje erdvėje, panašiai kaip ant lygaus popieriaus lapo, dvi lygiagrečios tiesės visada yra lygiagrečios, trikampio kampų suma lygi 180 laipsnių, ir taip toliau. Išmatavę kosminės foninės spinduliuotės savybes, galime nustatyti komponentų tankius, ir žinome, jog tamsioji energija sudaro apie 68 procentus kritinio tankio, tamsioji materija – apie 27 procentus, o barioninė medžiaga – apie penkis procentus. Visos kartu jos sukuria kritinį tankį.


Kosminės foninės spinduliuotės žemėlapis. Netolygumai jame – šiltesni ir šaltesni regionai, davę pradžią Visatos struktūrai – nurodo ir Visatos masės-energijos pasiskirstymą. Šaltinis: Planck Collaboration, ESA

Tačiau barionų kiekį Visatoje išmatuoti galime ir kitaip – stebėdami aplinkines galaktikas, matuodami jose esančių žvaigždžių ir dujų masę. Išmatavę randame, kad barionų yra mažiau, nei teigia foninės mikrobangų spinduliuotės analizė. Ir ne truputį mažiau, o kone dvigubai (ar bent trečdaliu). Kur dingo pusė Visatos?


Aplinkinės Visatos, iki 380 megaparsekų nuo Paukščių Tako, erdvėlapis. Duomenys iš daugiau nei 500 milijonų žvaigždžių ir pusantro milijono galaktikų surinkti infraraudonųjų spindulių ruože 2MASS apžvalgos metu. Tokie ir panašūs duomenys parodė barionų trūkumą mūsų aplinkoje. Šaltinis: T H Jarrett (2004), PASA

Šio straipsnio nebūtų buvę, jei ne mano rėmėjai Patreon platformoje. Ačiū jums! Jei manote, kad mano tekstai verti vieno kito jūsų dolerio, paremti mane galite ir jūs.

Trūkstamos materijos problema išryškėjo praeito amžiaus paskutiniame dešimtmetyje, prasidėjus detaliems kosminės foninės spinduliuotės stebėjimams. Iki tol barionų kiekis Visatoje buvo matuojamas tik tyrinėjant aplinkines galaktikas, o gaunamos vertės siekė apie 2,5% kritinio Visatos tankio. Žinojome, kad tamsiosios materijos yra bent šešis kartus daugiau, nei regimosios, o daugiau jokių komponentų nebuvo aptikta. Taigi buvo manoma, kad Visatos erdvė galimai yra atvira. Visgi kosminės foninės spinduliuotės bei Visatos plėtimosi stebėjimai mūsų supratimą pakeitė – iki 2000 metų jau žinojome ir kad Visata plečiasi greitėdama, galimai dėl kažkokios tamsiosios energijos egzistavimo, ir kad kažkur slepiasi apie pusę jos barionų. Idėja, kad galbūt barionų kiekis laikui bėgant reikšmingai sumažėjo, svarstoma nebuvo, kaip pernelyg egzotiška. Taigi buvo ieškoma atsakymo, kur galėtų būti barionų, kurių ankstesni stebėjimai neužfiksavo.

Į šį klausimą iš esmės turime du atsakymus. Abu jie remiasi idėja, kad sunku aptikti medžiagą, kuri yra labai karšta ir labai reta. Medžiagos telkinius kosmose dažniausiai aptinkame pagal jų skleidžiamą arba sugeriamą spinduliuotės spektrą. Spektro linijos leidžia nustatyti, iš kokių cheminių elementų susideda medžiaga, kokia medžiagos temperatūra, ir kaip greitai ta medžiaga juda mūsų atžvilgiu. Tačiau kuo medžiaga retesnė, tuo silpniau ji spinduliuoja ir sugeria šviesą. O kuo medžiaga karštesnė, tuo mažiau joje yra spektro linijų, nes vis didesnė dalis cheminių elementų yra visiškai jonizuoti, t.y. nuo jų branduolių atplėšti visi elektronai, kurių šuoliai ir sukuria spektro linijas.


Karštos mažo tankio medžiagos daug randame galaktikų spiečiuose. Ten šios dujos gali būti dešimt kartų masyvesnės, nei visos spiečiaus galaktikos kartu sudėjus. Dingę barionai gali slėptis panašioje medžiagoje, tačiau net už spiečių ribų. Šaltinis: Chandra X-Ray Observatory, NASA

Kur galėtų būti toji labai karšta ir reta medžiaga? Galaktikose jai išsitekti būtų sudėtinga – aukšta temperatūra reiškia, kad dujos norės plėstis ir kilti aukštyn iš galaktikos gelmių, o mažas tankis – kad į jas turėtų lengvai prasiskverbti tankesni dujų telkiniai, kurie paskatintų vėsimą ir fragmentaciją. Taigi paieškos veda į galaktikų pakraščius ir už jų ribų, o medžiaga bendrai vadinama „Šilta-karšta tarpgalaktine terpe“ (Warm-hot intergalactic medium, arba WHIM). Dvi paieškų vietos – du atsakymai į trūkstamų barionų klausimą – yra aplinkgalaktinė erdvė bei kosminio voratinklio gijos tarp galaktikų.

Aplinkgalaktinė erdvė yra nelabai griežtai apibrėžtas terminas, paprastai reiškiantis kelių šimtų kiloparsekų spindulio zoną aplink galaktiką. Šiame regione galima rasti tikrai daug karštų ir retų dujų, bet tikslų jų kiekį išmatuoti labai sudėtinga dėl aukščiau minėtų aukštos temperatūros ir mažo tankio. Ilgą laiką matavimai apsiribodavo medžiagos tankio įvertinimu palyginus arti prie galaktikos. Nežinodami, kaip sparčiai tankis mažėja tolstant nuo jos, mokslininkai negalėjo pasakyti ir kiek iš viso medžiagos yra sutelkta šiuose regionuose. Rimtesnis proveržis pasiektas tik pernai, kai pasirodė net keli nuodugnūs tyrimai. Štai viename iš jų ištirta galaktika NGC 3221, daug kuo panaši į Paukščių Taką. Kaip ir mūsiškė, ji yra diskinė, žvaigždžių masė siekia apie 100 milijardų Saulės masių, atstumas iki jos – apie 60 megaparsekų, 80 kartų daugiau, nei iki Andromedos, bet Visatos masteliais palyginus netoli. Stebėjimai, atlikti dar 2014 metais, atskleidė, jog NGC 3221 supa karštų retų dujų halas, kurio spindulys siekia bent 150 kiloparsekų, dujų temperatūra – apie milijoną laipsnių, o tankis centrinėje halo dalyje dešimt tūkstančių kartų mažesnis, nei vidutinis tarpžvaigždinės medžiagos tankis Paukščių Take. Visgi net ir tokio mažo tankio dujos sudaro didelę masę – apie 220 milijardų Saulės masių, dvigubai daugiau, nei galaktikos žvaigždžių masė. Apskritai aplinkgalaktinė medžiaga sudaro apie pusę visos barioninės medžiagos NGC 3221 galaktikoje ir jos aplinkoje, o barioninės medžiagos ir tamsiosios materijos masės santykis gerai atitinka kosmologines prognozes. Problema išspręsta? Deja, ne visai. Kitame pernai paskelbtame tyrime ištirta šešių galaktikų aplinka ir paaiškėjo, kad aplinkgalaktinė medžiaga jose vidutiniškai sudaro mažiau nei 30% galaktikos barionų, o visi šie barionai – mažiau nei 30% „reikalingų“ barionų. Taigi šiose galaktikose iš viso trūksta net ne pusės, o 70 procentų barionų. Panašu, kad NGC 3221 greičiau yra išimtis, nei taisyklė, o aplinkgalaktinė medžiaga trūkstamų barionų problemos neišsprendžia.


Aplinkgalaktinės medžiagos schema. Medžiaga krenta į galaktiką ir yra išmetama iš jos – šių procesų balansas aplink galaktiką sukuria plačiai pasklidusį halą. Tolimų objektų, esančių už halo, stebėjimai leidžia apskaičiuoti ir halo savybes. Šaltinis: J. Tumlinson, M.S. Peeples, J.K. Werk, Annual Review of Astronomy and Astrophysics (2017); M.S. Peeples, Nature (2015)

Kosminiu voratinkliu vadinamos tamsiosios materijos ir dujų gijos, jungiančios galaktikas ir jų spiečius. Jų egzistavimą prognozuoja skaitmeniniai modeliai, kuriuose sekama Visatos struktūros evoliucija nuo labai ankstyvų laikų (keliolikos milijonų metų po Didžiojo sprogimo) iki šių dienų. Gijose esančios dujos nėra gravitaciškai surištos su galaktikomis, tačiau po truputį krenta į pastarąsias. Į gijas, savo ruožtu, krenta dujos iš tarpgalaktinių tuštumų. Bet gijų egzistavimas patvirtintas tik prieš porą metų. 2017-ųjų pabaigoje paskelbti du straipsniai, kuriuose pristatomos sėkmingos gijų paieškos. Abi paieškos remiasi vienodu metodu: atrinkus daugybės galaktikų porų nuotraukas, jos sudedamos viena ant kitos ir sumuotuose duomenyse ieškoma signalo, atsirandančio kosminės foninės spinduliuotės fotonams sąveikaujant su karštais elektronais. Toks signalas aptinkamas, ir nustatoma, kad gijose tarp galaktikų barionų tankis yra apie šešis kartus didesnis, nei vidutiniškai visoje Visatoje. Bendra gijose esančių dujų masė yra panaši į visur kitur randamų barionų masę, taigi užpildo trūkstamą barionų biudžetą. Šį rezultatą patvirtino ir kitas, pernai paskelbtas, tyrimas. Jame tarpgalaktinės gijos aptinkamos pagal tai, kad jose esantys deguonies atomai, netekę beveik visų elektronų, sugeria tolimesnių galaktikų spinduliuotę. Pagal šį sugerties signalą įvertinta gijų masė gaunama netgi dar šiek tiek didesnė.


Visatos sandara pagal naujausius stebėjimų duomenis. Kairėje – tamsiosios energijos, tamsiosios materijos ir įprastos (barioninės) materijos pasiskirstymas. Dešinėje – barionų išdalinimas į įvairias grupes. Tarpgalaktinės gijos ir aplinkgalaktinės erdvės dujos kartu sudaro „šiltą-karštą tarpgalaktinę medžiagą“, t. y. Apie 55% visų barionų. Šaltinis: ESA

Taigi panašu, kad dingę barionai slėpėsi būtent retose karštose dujose tarp galaktikų. Apskritai ši istorija yra retai pasitaikantis atvejis, kai galime sakyti, jog kažkokia problema yra išspręsta. Nebūtinai išspręsta visiškai tvirtai, ir niekad nebereikės prie jos grįžti. Gali būti, kad tikslesni matavimai parodys, jog barionų vis dar šiek tiek trūksta. Arba kaip tik gal jų yra per daug. Gal paaiškės, kad barionų kiekis Visatoje tikrai kinta laikui bėgant. Gal dar atsiras kokių komplikacijų. Tokie jau tie gamtos mokslai – amžinų tiesų čia nebūna. Bet pagal šiandien tikėtiniausiai atrodantį kosmologinį modelį trūkstamų barionų problemą galime laikyti išspręsta.

Laiqualasse

2 comments

  1. O juodosios skylės kur priskiriamos? Juodos medžiagos 5 kart daugiau nei barioninės ir neaišku kas jį yra?

    1. Juodosios skylės greičiausiai atsirado, ir beveik neabejotinai išaugo, iš barioninės medžiagos, taigi jų masė priskiriama prie barioninės medžiagos. Bet bendra juodųjų skylių masė yra daug mažesnė nei likusių barionų, tai nuo to, kur jas priskirsime, rezultatai stipriai nepasikeis.

      Taip, tamsiosios medžiagos yra apie penkis kartus daugiau, nei barioninės. Ir tikrai nežinome, kas tai yra. Kol kas negalime visiškai tvirtai atmesti ir alternatyvių hipotezių, kad tamsioji materija/medžiaga neegzistuoja, o jai priskiriamus efektus sukelia kažkokie gravitacijos dėsnio pokyčiai, pasireiškiantys tik dideliais masteliais. Bet mainstream’inė hipotezė yra tokia, kad tamsiąją materiją sudaro WIMPai – Weakly Interacting Massive Particles, kažkokios elementariosios dalelės, kurios su likusia materija sąveikauja tik gravitaciškai.

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *