Razotkrivanje tamne tvari

Ako pod tamnom materijom mislimo na onu tvar u svemiru koja ne odašilje vidljivu svjetlost, tada postojanje takve nevidljive tvari nije neobično. Primjerice, naučili smo da su vidljivi fotoni samo mali segment elektromagnetskoga zračenja koje dolazi od zvijezda. Vruća plazma isijavat će X-zrake, atomi vodika svoj karakteristični 21-centimetarski radio val, a ohlađeni fotoni kozmičkoga pozadinskoga zračenja su u milimetarskom području spektra elektromagnetskoga zračenja.

Zagonetka koja se nameće jest postojanje tvari koja kao da ne zrači dovoljno niti na jednoj valnoj duljini elektromagnetskoga zračenja i koju ``vidimo" samo gravitacijski.

U povijesti su zabilježena otkrića nevidljivih masa. Iz putanje Urana 1846. godine ispravno je predviđeno postojanje i lokacija Neptuna. Manje je uspješno bilo slično predviđanje planeta Vulkana, koji bi objasnio gibanje perihela Merkura. Einsteinovo bolje poznavanje zakona gravitacije, posredstvom opće teorije relativnosti objasnilo je zagonetno gibanje opaženo kod Merkura. To je vodilo na i danas aktualno upozorenje da za tamnu materiju, spoznatu isključivo iz gravitacije, treba provjeriti i naše poznavanje gravitacije u danoj situaciji.

U svakom slučaju, astronomska opažanja ne zahtijevaju postojanje dodatnih, nevidljivih tjelesa u Sunčevu sustavu. No to nije tako na skalama galaktika. Uz crne rupe koje da se vole skrivati u središtima galaktika, postoje snažne naznake i za nevidljivu masu lociranu na periferiji galaktika.

Svjetovi machoa

Opažanja načina na koji galaktike rotiraju uvjerila su astronome da je ono što se vidi kroz teleskope samo mali dio onoga što postoji unutar galaktike. Uz vidljivu materiju potrebna je dodatna nevidljiva, tamna materija koja osigurava da se spiralne galaktike ne razlete.

U pokušaju da se razotkrije što je ispod površine vidljivoga ujedinili su svoje napore astronomi i fizičari čestica. Objekti od tamne galaktičke tvari za kojima se traga nazvani su imenom projekta MACHO (kratica od Massive Compact Halo Objects). Objekti čija je masa veličine mase planeta do desetinke mase Sunca dovoljno su male mase da ne pokrenu proces nuklearne fuzije, koja čini zvijezde sjajnima. Teška tijela koja su ostala bez nuklearnoga goriva, poput neutronskih zvijezda i starih bijelih patuljaka, također su macho-kandidati. Jedan način njihovoga razotkrivanja temelji se na zakretanju zraka svjetlosti koje prolaze blizu masivnih tijela. Macho-tijela bile bi dovoljno jake gravitacijske leće, koje svojim "mikrofokusiranjem" mogu proizvesti kratkotrajno pojačanje sjaja zvijezde. Naime, nađe li se macho na putu svjetlosne zrake koja nam dolazi od zvijezde čiji je sjaj inače stabilan, mikrofokusiranje može izazvati pojačanje sjaja u trajanju nekoliko sati ili tjedana. Ta potraga se izvodi od početka devedesetih godina u nekoliko velikih fotometrijskih pothvata, u kojima se iz noći u noć mjeri sjaj milijuna zvijezda.

Najveći od tih projekata je već spomenuti američko-australski (kod Canberre) pod imenom MACHO. S pomoću 1.3 metarskoga teleskopa i CCD kamera "dnevno" se snima 10 milijuna zvijezda u Velikom i Malom Magellanovu oblaku. U svakoj se noći skupi sedam gibabajta podataka, čija je računalska analiza po kompleksnosti usporediva onoj za sudarivače. Između 9 milijuna zvijezda snimljenih svake noći treba izdvojiti one sa znakovitim pojačanjem sjaja. Do početka 1996. nađeno je sedam macho kandidata.

Slično motrenje Velikoga Magelanovoga oblaka provodi francuska udruga astronoma i fizičara čestica, pod imenom EROS (Experience de Recherche d'Objects Sombres). No osim traženja machoa težih od Jupitera (uz 2 zabilježena događaja mikrofokusiranja), EROS traži i lake machoe (npr. poput Mjeseca) na praćenju skupa od 10⁵ zvijezda. Za ove posljednje nije zabilježen niti jedan kandidat.

Dok su MACHO i EROS "ekstrovertne" prirode, tj. okrenuti prema van, prema Magellanovim oblacima, treća skupina znanstvenika s promatračnice OGLE u Čileu okrenula je svoj jedno-metarski teleskop prema unutrašnjosti Mliječne staze. Sedam opaženih događaja mikrofokusiranja više je od očekivanog, tako da se i suradnici MACHO-skupine odlučili pogledati u tom smjeru. Četiri nova mikrofokusiranja uz sedam već navedenih upućuje da ta mikrofokusiranja dolaze od crvenih patuljaka, blijedih zvijezda, a ne od tijela tamne galaktičke tvari -- machoa.

Nova era istraživanja tamne tvari otvorena je od postavljanja satelitskih promatračnica. Hubbleov teleskop pogledom prema središtima galaktika daje već spomenute naznake postojanja crnih rupa. No crne rupe mogu predstavljati tek manji dio ukupne galaktičke tamne tvari.

Satelitske promatračnice izoštravaju i naš pogled na nakupine galaktika. Slično kao iz rotacija spiralnih galaktika, može se iz rotacija nakupina zaključiti da je postojanje tamne tvari nužno. Da se nakupine galaktika nebi razletjele, masa te tamne tvari mora stostruko premašivati masu svjetleće tvari koju opažamo. Za nakupine galaktika dimenzija megaparseka, satelitske promatračnice već daju rezultate. Tako satelit ROSAT (namijenjen mjerenju X-zračenja) otkriva vrući međugalaktički plin, na temperaturi 10 milijuna kelvina. Takav plin s X-zračenjem, taman je u odnosu na vidljivu svjetlost. Sam po sebi, taj je plin nuklearni materijal koji gradi poznate orme materije te daje svoj udio barionskoj masi svemira. Zaprepašćujuća je činjenica da taj nuklearni materijal učestvuje u ukupnoj masi svemira sa svega 4%. Od projekta EROS-MACHOa i satelitskih motrenja očekujemo da nas nauče više o oblicima barionske tvari. No, preostaje teži dio posla, ustanovljavanje preostale nebarionske tamne tvari -- ali ne zaboravimo da je opažanje i tolike količine barionske tvari čudo.

Tamna energija

Najnovija mjerenja mikrovalnog pozadinskog zračenja ukazuju da pored tamne materije svemir obiluje i neobičnom tamnom energijom. Vidi "Kratke vijesti iz svemira."