— Published on 15/02/2023 / Bug.hr.
Spektralne linije u gama-području najviših energija bile bi pouzdani indikator tamne materije no pretraživanje galaktičkog središta teleskopima MAGIC zasad nije potvrdilo postojanje takvih linija
Tamna materija i dalje izluđuje astrofizičare. Morala bi biti „tu negdje”, ali nikako da ju izravno potvrdimo. Samo 5% svemira čini obična materija, koju stručno nazivamo barionskom, a sve ostalo je nešto čiju prirodu zasad ne poznajemo. No, kako uopće znamo da to nešto postoji. Možda to ne nalazimo jednostavno zato što ga ni nema.
Zašto tražimo tamnu materiju?
Cijela prirodna znanost je skup naših ideja o tome kako funkcionira svijet. Neke od tih ideja su dobro potvrđene i njih nazivamo znanstvenim teorijama. A neke tek čekaju svoje potvrde. Njih nazivamo znanstvenim hipotezama. Do novog znanja ne možemo doći bez hipoteza. Smišljamo hipoteze pa ih na temelju opažanja i eksperimenata ili potvrđujemo (pa privremeno prihvaćamo) ili opovrgavamo (pa nemilosrdno odbacujemo). Tako to ide.
Tamna materija je zasad samo hipoteza, jedna razumna pretpostavka koja pokušava objasniti neke činjenice. Tu ćemo hipotezu možda potvrditi, možda odbaciti, no činjenice će ostati. Ako ih ne objasnimo pomoću tamne materije morat ćemo ih objasniti nekako drukčije. Kako, to zasad nitko ne zna. Trenutačno je hipoteza tamne materije najbolji kandidat kojega imamo. A koje to tajanstvene činjenice treba objasniti? Puno je takvih. Recimo, rotacijske krivulje galaksija vrište: „tu nešto ne valja”. Opažanja daju jedan oblik krivulje, a račun – temeljen na onome što dosad znamo – daje drugi oblik. No, kad u račun uključimo tamnu materiju krivulje se odjednom lijepo poklapaju.
Drugi primjer, struktura svemira na velikoj skali: galaksije su grupirane u skupove, a skupovi u superskupove. Prostornu raspodjelu skupova i velikih praznina (voidova) možemo opažati, a možemo i računati. Ne analitički, naravno, nego numerički na temelju simulacija koje se danima izvode na superračunalima. Već pogađate: ako u simulacije ne uključimo tajanstveni sastojak, tamnu materiju, rezultat (simulirani svemir) je drukčiji od opažanja (stvarnog svemira). Pa onda ubacimo tamnu materiju i stvari sjednu na svoje mjesto. Sve se slaže.
Ukratko, hipoteza tamne materije ima veliki potencijal. Jednim potezom daje objašnjenja mnogih opaženih pojava koje inače ne znamo objasniti. I to je lijepo. Samo je problem što tu vražju tamnu tvar nikako ne uspijevamo uhvatiti.
Spektralne linije u gama-području
Matematički modeli tamne materije daju određena predviđanja o njezinim svojstvima. Između ostalog, predviđa se postojanje masivnih čestica koje bi se, pod određenim uvjetima, mogle anihilirati i pritom stvoriti fotone vrlo visokih energija, kozmičko gama-zračenje u određenom energijskom području. No idemo redom, kad govorimo o „masivnim česticama” mislimo na čestice čije su mase velike s obzirom na mase poznatih čestica u standarnom modelu elementarnih čestica. Slikovito rečeno, divove u svijetu elementarnih čestica. Dalje, po „određenim uvjetima” mislim na dovoljno veliku koncentraciju tih čestica. Modeli govore da bismo takvu koncentraciju mogli očekivati u središnjem dijelu galaksije. Konačno, pod „anihilacijom” mislimo na interakciju čestice i njezine antičestice pri čemu se sva masa pretvara u energiju u obliku elektromagnetskog zračenja, dvaju visokoenergijskih fotona koji izlijeću na suprotne strane.
Opažanja teleskopima MAGIC
Izvrsna je vijest, barem za astrofizičare koji rade na Čerenkovljevim teleskopima, da su ti visokoenergijski fotoni u području TeV, što je energijsko područje koje pokrivaju Čerenkovljevi teleskopi. Jedan TeV je 1012 (što je bilijun odnosno milijun milijuna) elektronvolti. A jedan elektronvolt je otprilike energija fotona vidljive svjetlosti. Ako jedan komarac, mase 3 mg, predstavlja jedan foton vidljive svjetlosti, onda bi jedan foton u TeV-području predstavljalo nešto bilijun puta veće mase, dakle tri tisuće tona. To bi bilo, recimo, 20 plavetnih kitova (svaki ima po 150 tona). Dakle, komarac = foton vidljive svjetlosti, 20 plavetnih kitova = foton u TeV području. Velika razlika, zar ne?
Teleskopi MAGIC mogu opažati gama-zračenje u TeV-području pa su dio svojeg opažačkog vremena posvetili opažanju središta naše galaksije. Ima tamo raznih izvora gama-zračenja, no doprinos tamne materije trebao bi biti vidljiv kao istaknuti vrh u spektru (raspodjeli intenziteta po energijama), što fizičari ponekad zovu linijom. Dakle, linija na određenoj energiji bila bi snažna potvrda određenim modelima tamne tvari. Zato su teleskopi MAGIC u zadnjih sedam godina ukupno 223 sata posvetili opažanju galaktičkog središta. Kad se skupilo dovoljno podataka napravili su analizu i... na srećki je pisalo „nažalost ništa”. Nema linije. Nema otkrića stoljeća. Nema Nobelove nagrade. Čisti ćorak.
Dobro, nije baš tako. Šalim se. I kad ne nađete ono što ste tražili i to je u znanosti važan rezultat. Naime, istraživačima koji dolaze poslije vas suzili ste područje. Manje je mogućnosti ostalo. Neki modeli su otpali. Rješenju smo korak bliže. A znanost napreduje korak po korak. Najčešće se tek probijate kroz gustu džunglu, a rijetko ste u prilici napraviti onaj zadnji, odlučujući korak.
Rezultati ovih istraživanja objavljeni su 10. veljače 2023. u znanstvenom časopisu Physical Review Letters.