Pierādījumi no galaktiku rotācijas līknēm, gravitācijas lēšošanas, WIMP, aksionu teorijām, hologrāfiskām interpretācijām un pat ekstrēmām simulācijas idejām
Neredzamais Visuma "karkass"
Novērojot zvaigznes galaktikā vai mērot redzamās vielas spožumu, atklājas, ka šī redzamā daļa veido tikai nelielu daļu no šīs galaktikas gravitācijas masas. Sākot ar spirālajām rotācijas līknēm un kopu sadursmēm (piemēram, Bultas kopu) un beidzot ar kosmiskā mikroviļņu fona (KMF) anizotropijām un lielu struktūru pētījumiem, visi dati liecina, ka pastāv tumšā matērija (TM), kas aptuveni piecreiz pārsniedz redzamo masu. Neredzamo vielu nav viegli atklāt elektromagnētiski (neizstarojošu, neuzsūcošu gaismu), tās klātbūtni atklāj tikai gravitācijas ietekme.
Standarta (ΛCDM) kosmoloģijas modelī tumšā matērija veido aptuveni 85 % no visas matērijas, būtiski ietekmē kosmisko tīklu un stabilizē galaktiku struktūru. Gadu desmitiem dominējošā teorija balstās uz jaunām daļiņām (WIMP, aksioniem) kā galvenajiem kandidātiem, taču tiešās meklēšanas līdz šim nav devušas galīgu apstiprinājumu, tāpēc daži zinātnieki meklē alternatīvas ceļus: modificētu gravitāciju vai pat vēl radikālākus ietvarus. Daži piedāvā, ka TM varētu būt emergenta vai hologrāfiska izcelsme, bet citi, vēl tālāk, pat runā, ka varbūt mēs dzīvojam simulācijā vai kosmiskā eksperimenta vidē, kur „tumšā matērija“ ir tikai nākotnes rezultāts. Visas šīs ekstrēmās hipotēzes, lai gan tālas no galvenās virziena, rāda, cik nepabeigta ir TM problēma un veicina atvērtību jaunām idejām, cenšoties sasniegt galīgo kosmisko patiesību.
2. Plaši tumšās matērijas pierādījumi
2.1 Galaktiku rotācijas līknes
Viens no agrīnajiem tiešajiem tumšās matērijas indikatoriem ir spirālveida galaktiku rotācijas līknes. Ņūtona likumu loģika prasītu, lai tālu no galaktikas centra zvaigžņu orbitālais ātrums v(r) ∝ 1/√r samazinātos, ja lielākā daļa masas būtu zvaigžņu diskā. Tomēr Vera Rubina un viņas kolēģi 20. gadsimta 70. gados parādīja, ka ārējās zonas griežas gandrīz ar nemainīgu ātrumu, kas liecina par milzīgu neredzamu halu, kas ir daudz reizes masīvāka par redzamo zvaigžņu un gāzu masu [1,2].
2.2 Gravitācijas lēcu efekts un Bultas kopa
Gravitācijas lēcu efekts – gaismas izliekšanās masīvu objektu radītajā telpas-laika izliekumā – sniedz citu uzticamu masas mērījumu, neatkarīgi no tā, vai tā izstaro gaismu vai nē. Novērojot galaktiku kopas, īpaši slaveno Bultas (Bullet) kopu (1E 0657–56), redzams, ka pēc lēcu efekta aprēķinātā kopējā masa nesakrīt ar spožo gāzu sadalījumu (kur koncentrēta lielākā barjoniskā masa). Tas liecina, ka kāpjoties kopām, tumšā matērija „izgāja cauri“, nesaskārās un nemazinājās, kamēr gāzes sadūrās un palēninājās. Šāds izteikts piemērs nav izskaidrojams tikai ar barjoniem vai vienkāršu gravitācijas korekciju [3].
2.3 Kosmiskā mikroviļņu fona un lielu struktūru argumenti
Kosmiskā mikroviļņu fona (KMF) dati (COBE, WMAP, Planck u.c.) atklāj temperatūras spektru ar akustiskām virsotnēm. Tām vispiemērotākā ir barjonu viela, kas veido tikai nelielu daļu no kopējās matērijas, bet ~85 % ir nebarjoniskā tumšā matērija. Tikmēr lielu struktūru veidošanai nepieciešams auksts (praktiski nemijiedarbīgs) TM, kas agri sāka koncentrēties gravitācijas bedrēs, piesaistot barjonus un veidojot galaktikas. Bez šāda DM komponenta galaktikas nebūtu veidojušās tik agri un tādā secībā, kādu redzam.
3. Dominējošās daļiņu teorijas: WIMP un aksioni
3.1 WIMP (vāji mijiedarbīga masīva daļiņa)
Daudzus gadus WIMP bija galvenais TM kandidāts. Masa ~GeV–TeV līmenī un (vājas) mijiedarbības dēļ tas dabiski dotu atlikušās (reliktu) blīvumu, kas ir tuvs novērotajai TM masai, saukts par "WIMP brīnumu". Tomēr tiešie mērījumi (XENON, LZ, PandaX u.c.) un paātrinātāju (LHC) pētījumi būtiski ierobežo vienkāršos WIMP modeļus, jo nav atrasti skaidri signāli [4,5]. Neskatoties uz to, WIMP hipotēze vēl nav atmesta, bet kļuvusi ievērojami mazāk ticama.
3.2 Aksioni
Aksioni tiek piedāvāti kā Peccei–Quinn mehānisma (lai risinātu stiprās CP problēmu) daļa, paredzēts, ka tie būs ļoti viegli (< meV) pseidoskalāri. Tie var veidot kosmisko Bose–Einšteina kondensātu, darbojoties kā "aukstais" TM. Tādi eksperimenti kā ADMX vai HAYSTAC meklē aksionu–fotona pārvēršanos rezonanses dobumos spēcīgā magnētiskajā laukā. Līdz šim nav atrasti galīgi rezultāti, bet vēl daudz masas diapazonu nav izpētīti. Aksioni var arī ietekmēt zvaigžņu dzesēšanu, dodot papildu ierobežojumus. "Mākoņainā TM" (fuzzy DM) varianti palīdz risināt maza mēroga struktūras anomālijas, ieviešot kvantu spiedienu haloes.
3.3 Citi kandidātu spektri
Sterilie neutrīno (kā "siltais" TM), tumšie fotoni, spoguļu pasaules vai dažādi "slepenie sektori" arī tiek apsvērti. Katram jāatbilst reliktu blīvuma prasībām, struktūru veidošanās, tiešajiem/netiešajiem mērījumiem. Lai gan dominē WIMP un aksioni, šīs "eksotiskās" idejas rāda, cik daudz iztēles vajadzīgs jaunajai fizikai, lai apvienotu Standarta modeli ar "tumšo sektoru".
4. Hologrāfiskā Visuma un "tumšās matērijas kā projekcijas" ideja
4.1 Hologrāfiskais princips
1990. gadā Gerards ’t Hūfts un Leonards Susskinds izvirzīja hologrāfisko principu, ka telpas brīvības pakāpes apjomā var būt kodētas zemāka dimensija virsmā, līdzīgi kā 3D objekta informācija ietilpst 2D plaknē. Dažās kvantu gravitācijas paradigmas (AdS/CFT) gravitācijas "vītne" tiek attēlota kā robežšķautne CFT. Daži to skaidro tā, ka "iekšējā realitāte" veidojas no ārējiem datiem [6].
4.2 Vai tumšā matērija rodas no hologrāfiskajiem efektiem?
Standarta kosmoloģijā tumšā matērija tiek uztverta kā substancija ar gravitācijas ietekmi. Tomēr pastāv spekulatīva doma, ka redzamā "slēptā masa" varētu būt kādu "informatīvu" hologrāfisku īpašību sekas. Šajās teorijās:
- Mēram "tumšās masas" ietekmi rotācijas līknēs vai lēšošanā, kas varbūt rodas no no informācijas izrietošās ģeometrijas.
- Daži, piemēram, Verlindes emergentā gravitācija, cenšas izskaidrot tumšo matēriju, mainot gravitācijas komponentus lielos mērogos, balstoties uz entropijas un hologrāfiskajiem apsvērumiem.
Šāds "hologrāfiskās TM" skaidrojums vēl nav tik detalizēts kā ΛCDM, un tam ir grūtāk precīzi atkārtot kopu lēšošanas vai kosmisko struktūru datus. Pašlaik tas paliek teorētisko pētījumu jomā, apvienojot kvantu gravitācijas un kosmiskās paplašināšanās koncepcijas. Iespējams, nākotnes atklājumi apvienos šīs idejas ar ierasto TM teoriju vai parādīs to nesaderību.
4.3 Varbūt esam "kosmiskā projekcija"?
Vēl ekstrēmāka doma: mūsu pasaule ir "simulācija" vai "projekcija", kur tumšā matērija ir it kā blakusprodukts kodēšanas/attēlošanas procesā. Šāda hipotēze tuvojas filozofijai (līdzīgi kā simulācijas ideja). Pašlaik neredzam testējamus mehānismus, kas izskaidrotu TM struktūru tāpat kā standarta kosmoloģija. Tomēr tā atgādina, ka, kamēr nav galīgas atbildes, ir vērts domāt plašāk.
5. Vai mēs esam mākslīga simulācija vai eksperiments?
5.1 Simulācijas arguments
Filosofi un tehnoloģiju entuziasti (piemēram, Nick Bostrom) piedāvā, ka ļoti attīstītas civilizācijas varētu palaist masīvus Visuma vai sabiedrības simulāciju projektus. Ja tā, mēs, cilvēki, varētu būt virtuālie varoņi datorā. Šādā gadījumā tumšā matērija varbūt ir "šifrēta" kā sava veida gravitācijas pamats galaktikām. Varbūt radītāji apzināti izveidoja tādu TM sadalījumu, lai veidotu interesantas struktūras vai dzīvības apstākļus.
5.2 Galaktiskais skolas eksperiments?
Varam iedomāties, ka esam laboratorijas eksperiments kāda svešzemju bērna kosmosa stundā, kur skolotāja grāmatā rakstīts: “Radiet galaktiku stabilitāti, pievienojot neredzamu halu”. Tā ir ļoti hipotētiska un netestēta doma, kas pārsniedz zinātniskās robežas. Tā rāda, ka, ja tumšā matērija līdz šim nav izskaidrota, var (ļoti spekulatīvi) iekļaut arī tādas „mākslīgas“ perspektīvas.
5.3 Noslēpuma un radošuma sinerģija
Nav novērojumu, kas pierādītu šos scenārijus, bet tie rāda, cik tālu var novirzīties, ja TSM paliek neatklāta. No tā saprotam, ka līdz šim tumšā matērija ir materiālāks jēdziens mūsu fizikas ietvaros. Tomēr atzīsim, ka iedomātie modeļi par simulācijām vai „mākslīgo“ TM rosina iztēli un pasargā no iestrēgšanas vienā teorijas rāmī.
6. Modificētā gravitācija pret īsto tumšo matēriju
Lai gan dominē uzskats, ka tumšā matērija ir jauna viela, cita teorētiskā plūsma uzsver modificēto gravitāciju (MOND, TeVeS, emergento gravitāciju u.c.). Lodes mākonis, kodola sintēzes rādītāji un KMF dati ir spēcīgi argumenti par īstas tumšās matērijas eksistenci, lai gan daļa MOND paplašinājumu mēģina šos izaicinājumus apiet. Līdz šim ΛCDM ar DM paliek vairāk saskaņots dažādos mērogos.
7. Tumšās matērijas meklējumi: tagadne un tuvojošais desmitgads
7.1 Tiešā detektēšana
- XENONnT, LZ, PandaX: Daudzu tonnu ksenona detektori cenšas fiksēt WIMP-nukleonu mijiedarbību aptuveni līdz 10-46 cm2 robežām.
- SuperCDMS, EDELWEISS: Kriogēnie pusvadītāji (labāk zemu WIMP masu gadījumā).
- Aksonu „haloskopi“ (ADMX, HAYSTAC) meklē aksonu-fotonu mijiedarbību rezonatoros.
7.2 Netiešā detektēšana
- Gamma teleskopi (Fermi-LAT, H.E.S.S., CTA) meklē anihilācijas pēdas Galaktikas centrā, pundurgalaktikās.
- Kosmisko staru pētījumi (AMS-02) meklē lielāku pozitronu, antiprotonu daudzumu no TM.
- Neitriņu detektori var atklāt neitriņus, ja TM uzkrājas Saules vai Zemes kodolos.
7.3 Paātrinātāju pētījumi
LHC (CERN) un citi nākotnes paātrinātāji meklē notikumus ar zaudētu šķērsenerģiju („monojetu“ signāli) vai jaunas daļiņas, kas varētu būt TM starpposma. Nav nekādu skaidru pierādījumu, bet tuvojošās LHC atjaunināšanas un iespējamie 100 TeV paātrinātāji (FCC) var paplašināt pētījumu diapazonu.
8. Atvērta pieeja: standarta modeļi + spekulācijas
Līdz šim tiešās/neredzamās meklēšanas nav devušas nepārprotamu rezultātu, tāpēc eksperti paliek atvērti dažādām iespējām:
- Klasiskie TM modeļi: WIMP, aksoni, sterili neitriņi u.c.
- Modificētā gravitācija: emergentā gravitācija, MOND variācijas.
- Hologrāfiskā Visuma: varbūt TM parādības ir noteiktu robežstāvokļu brīvības pakāpju projekcijas.
- Simulācijas hipotēze: varbūt kosmiskā realitāte ir progresīvas civilizācijas simulācija, un “tumšā matērija” ir koda produkts.
- Svešzemju bērnu zinātniskais eksperiments: absurds, bet parāda, ka nepierādītas lietas var tikt uztvertas dažādi.
Lielākā daļa zinātnieku tomēr vairāk paļaujas uz reālas TM eksistenci, bet galējā neziņa rada dažādus konceptuālus mēģinājumus, kas palīdz saglabāt radošumu, kamēr mēs iegūstam galīgo atbildi.
9. Secinājums
Tumšā matērija ir milzīga mīkla: bagātīgi novērojumi neatstāj šaubu, ka pastāv būtiska masas sastāvdaļa, ko nevar izskaidrot tikai ar redzamo vielu vai barjoniem. Lielākā daļa teoriju balstās uz daļiņu TM būtību – WIMP, aksioniem vai slepeno sektoru – un to pārbauda detektori, kosmiskā starojuma mērījumi un paātrinātāji. Tā kā līdz šim nav galīgu pierādījumu, modeļu telpa paplašinās, un instrumenti kļūst arvien precīzāki.
Tajā pašā laikā pastāv radikālas idejas – hologrāfiskie, “emergentās” vai pat simulācijas scenāriji –, kas liecina, ka TM var būt vēl mulsinošāka vai rasties no dziļākas telpas-laika vai informācijas būtības. Varbūt kādu dienu īpašs atklājums – jauna daļiņa vai kāda pārsteidzoša gravitācijas korekcija – visu atrisinās. Pašlaik tumšās matērijas identitāte ir pamatīgs astrofizikas un daļiņu fizikas izaicinājums. Neatkarīgi no tā, vai mēs atklāsim fundamentālu daļiņu vai kaut ko radikālu par telpas un laika struktūru, ceļš uz šīs “slēptās masas” noslēpumu un atbildi par mūsu lomu galaktikas audumā (reālā vai iedomātā) paliek atvērts.
Nuorodos ir tolesnis skaitymas
- Rubin, V. C., & Ford, W. K. (1970). “Andromedas miglāja rotācija, balstoties uz emisijas reģionu spektroskopisko izpēti.” The Astrophysical Journal, 159, 379–403.
- Bosma, A. (1981). “21 cm viļņa līnijas pētījumi par spirālveida galaktikām. I. Deviņu galaktiku rotācijas līknes.” Astronomy & Astrophysics, 93, 106–112.
- Clowe, D., et al. (2006). “Tiešs empīrisks pierādījums tumšās matērijas eksistencei.” The Astrophysical Journal Letters, 648, L109–L113.
- Bertone, G., Hooper, D., & Silk, J. (2005). “Daļiņu tumšā matērija: pierādījumi, kandidāti un ierobežojumi.” Physics Reports, 405, 279–390.
- Feng, J. L. (2010). “Tumšās matērijas kandidāti no daļiņu fizikas un to atklāšanas metodes.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 48, 495–545.
- Susskind, L. (1995). “Pasaule kā hologramma.” Journal of Mathematical Physics, 36, 6377–6396.