Hol tartunk most a sötét anyag kutatásában?

A világegyetem tömegének nagyjából 85%-a a rejtélyes sötét anyag, mely közvetlenül nem figyelhető meg, de hatalmas hatása van a kozmoszra. Mi ez a különös dolog, és milyen összefüggésben áll létezésünkkel? Risa Wechsler asztrofizikus kifejti, miért lehet a sötét anyag kulcsfontosságú a világegyetem kialakulásának megértéséhez, és elmondja, milyen kreatív ötletekkel tanulmányozzák a fizikusok szerte a világon.

Elgondolkoztak már azon,

milyen lenne egy kissé másmilyen világ?

Milyen lenne az életük,

ha 5 000 évvel ezelőtt születtek volna,

napjaink helyett?

Miben térne el a történelem,

ha a kontinensek másik
szélességen lennének?

Vagy hogy alakult volna
az élet a Naprendszerben,

ha a Nap 10%-kal nagyobb lenne?

Abból élek,

hogy ilyen lehetőségekkel játszadozom el

a világegyetem szintjén.

Világegyetemeket modellezek számítógépen.

Különböző korú, más-más minőségű

és anyagi összetételű világegyetemeket.

Aztán összevetem őket a miénkkel,

hogy lássam, a miénk miből van,
és hogyan fejlődött.

Tesztmodellek futtatásával feldolgozzuk
az égen mért adatokat,

ezáltal sok mindent megtudunk
a világegyetemünkről.

A legfurcsább dolog, hogy rájöttünk,

a világegyetem zöme
egészen más anyagból áll,

mint önök vagy én.

De nélküle

a világegyetem nem létezne.

A világegyetem távcsővel belátható része

csak kb. 15%-át teszi ki az egésznek.

A többi 85%

nem bocsát ki és nem nyel el fényt.

Szemmel láthatatlan,

rádió-, mikrohullámokkal

vagy fénnyel nem észlelhető.

De létezéséről tudunk

a látható világra gyakorolt hatása miatt.

Ez kissé olyan,

mintha bolygónk felszínét

és minden rajta lévőt
szeretnénk feltérképezni

az éjszakai Földről készített
űrfénykép alapján.

A fényes helyekről van némi fogalmunk,

de sok mindent nem láthatunk,

emberektől a hegyláncokig semmit.

A sejtelmes lehetőségek alapján
kell kikövetkeztetni, mi van ott.

Ezt a nem látható dolgot
nevezzük sötét anyagnak.

Sokan hallottak róla,

de ha esetleg hallottak róla,

akkor is elvontnak,

távolinak és lényegtelennek tűnik.

Az az érdekessége,

hogy a sötét anyag itt van körülöttünk,

valószínű, éppen itt is.

A sötét anyag részecskéi valószínűleg

áthatolnak a testünkön is,

ahogy itt ülünk a helyiségben.

Mi a Földön vagyunk,

és a Föld kering a Nap körül,

a Nap a galaxisban

kb. 800 000 km/óra sebességgel száguld.

De a sötét anyag nem ütközik belénk,

csak egyszerűen áthalad rajtunk.

Hogy tudjunk meg többet róla?

Mi az,

s milyen összefüggésben áll létezésünkkel?

Hogy felfedezzük létrejöttünket,

először meg kell értsük
a galaxisunk kialakulását.

Ez a mi galaxisunk, a Tejút mai képe.

Hogy nézett ki 10 milliárd éve,

és milyen lesz 10 milliárd év múlva?

Mi a helyzet

a több száz millió másik
galaxis történetével,

melyeket feltérképeztünk
az ég részletes pásztázásával?

Hogy alakulna a történetük,

ha más anyag alkotná a világegyetemet,

vagy több, esetleg kevesebb
anyagból állna?

A modell-világegyetemek lényege,

hogy tesztelhetjük ezeket a lehetőségeket.

Térjünk vissza a világegyetem kezdetéhez,

az ősrobbanás utáni első pillanathoz.

Ekkor még

nem létezett egyáltalán semmi anyag.

A világegyetem rohamosan tágult.

A kvantummechanika kimondja,

hogy anyag keletkezik és bomlik el

folyamatosan, minden percben.

Ekkor az univerzum olyan hirtelen tágult,

hogy a keletkezett anyag
nem tudott elbomlani.

Ezért gondoljuk, hogy az összes anyag
ezen időszakban keletkezett.

A sötét anyag

és a minket alkotó
hagyományos anyag egyaránt.

Most lépjünk kicsit előre az időben,

az anyag keletkezése utánra,

protonok és neutronok kialakulása utánra,

hidrogén kialakulása utánra,

úgy 400 000 évvel az ősrobbanás utánra.

A világegyetem forró,
sűrű és egyenletes volt,

de nem teljesen egyenletes.

Képzeljük el, ahogy a Planck-űrtávcső

minden irányban feltérképezi

a világegyetem hőmérsékletét.

Rájövünk,

hogy voltak másokhoz viszonyítva

kissé forróbb és sűrűbb helyek.

A korai világegyetemről
készült képen a foltok

sűrűbb és kevésbé sűrű
tömegű helyeket jelentenek.

A foltok méretét
a gravitáció befolyásolta.

A világegyetem tágult,
és csökkent a sűrűsége

az elmúlt 13,8 milliárd év alatt.

De a gravitáció hatalmas munkát
végzett azokban a foltokban,

ahol kissé több anyag volt,

és oda egyre több anyagot vonzott.

Ezt macerás elképzelni,

de hadd mutassam meg, miről beszélek.

Az említett számítógépes modellek
ezeket az ötleteket segítenek tesztelni,

pillantsunk rá az egyikre!

Ez a kutatócsoportom által
készített film megmutatja,

mi történt a világegyetemben
a legkorábbi pillanatait követően.

Látható, hogy a világegyetem
elég egyenletesen keletkezett,

de voltak övezetek,

ahol kicsit több anyag volt.

A gravitáció ráerősített,
és még több anyagot hozott oda,

azokra a helyekre,
ahol kicsit több anyag keletkezett.

Idővel

helyenként elegendő anyag volt

hogy a hidrogéngáz –

mely eleinte elegyet képezett
a sötét anyaggal –

kezdjen kiválni belőle,

lehűljön, csillagok alakuljanak,

és egy kis galaxis jöjjön létre.

Az idők folyamán, milliárd
és milliárd év során

a kis galaxisok egymásba zuhantak,

egyesültek s kiterjedt galaxisokká nőttek,

pl. ilyen a mi Tejútrendszerünk is.

Mi történik, ha nincs sötét anyagunk?

Ha nincs sötét anyag,

akkor a foltok nem eléggé
csomósodtak volna össze.

Kiderült, hogy egy sűrű övezetben

a naptömeg legalább milliószorosa kell

csillagok kialakulásához.

Sötét anyag nélkül

soha nem lenne egy helyen
elég anyag hozzá.

Figyeljük meg egymás
mellett a két rendszert!

Egyikben azt látjuk,

hogy hirtelen halmazok keletkeznek.

Abban a rendszerben

egészen könnyen alakulnak ki galaxisok.

A másik rendszerben

kis halmazok alakulnak ki,

de egészen kicsik is maradnak.

Nem sok minden történik.

Abban a rendszerben nem alakult
volna ki a mi galaxisunk.

Vagy másik galaxis sem.

Nem lenne Tejútrendszerünk,

nem lenne a Nap,

és mi sem léteznénk.

Egyáltalán nem létezhetnénk
abban a világegyetemben.

Tehát ez az őrült sötét anyag

a legnagyobb tömeg a világegyetemben,

most is áthalad rajtunk,
és nem léteznénk nélküle.

Mi lehet ez?

Fogalmunk sincs róla.

(Nevetés)

De sok okos találgatás kering,

és rengeteg ötletünk van,
miként tudjunk meg többet róla.

A legtöbb fizikus a sötét anyagot
részecsketermészetűnek tartja,

valami hasonlónak, mint az ismert anyag:

protonok, neutronok és elektronok.

Akármilyen is a felépítése,

a gravitációhoz hasonlóan viselkedik.

De nem bocsájt ki és nem nyel el fényt,

és egyenesen áthatol a normál anyagon,

mintha ott sem lenne.

Szeretnénk tudni,
milyen részecskéről van szó.

Pl. milyen súlyú?

Történik egyáltalán valami,
ha kapcsolatba kerül a normál anyaggal?

A fizikusoknak zseniális ötleteik
vannak, hogy mi lehet,

hihetetlenül kreatívak vagyunk.

Kissé nehezíti a helyzetet,

hogy az ötletek szerteágazók.

Lehet olyan apró, mint a legkisebb
szubatomi részecske,

vagy lehet olyan nagy tömegű,
mint 100 Nap.

Hogy derítsük ki, mi ez?

A fizikusoknak és csillagászoknak
több módszerük van

a sötét anyag felkutatására.

Az egyik módszer,
hogy finom érzékelőket telepítünk

mély bányákba,

és várjuk a lehetőséget,

hogy egy rajtunk és a Földön
áthaladó sötétanyag-részecske

beleütközzön a sűrűbb anyagba,

és hagyjon valami nyomot az áthaladásáról.

Pásztázzuk az eget,

hátha a sötétanyag-részecskék

ütköznek egymással,

és nagy energiájú,

gamma-sugár űrtávcsővel
látható fény keletkezik.

Megpróbálunk még itt a Földön is
előállítani sötét anyagot,

részecskék ütköztetésével,
hogy lássuk, mi történik.

Erre építettük a svájci
Nagy Hadronütköztetőt.

Eddig

e kísérletekből sok mindent megtudtunk,

milyen nem lehet a sötét anyag.

(Nevetés)

de még mindig nem tudjuk, milyen lehet.

Voltak valóban jó ötletek,
milyen lehet a sötét anyag,

és mit figyelhetnénk meg
ezekkel a kísérletekkel.

De még nem sikerült megfigyelni,

tehát folytatnunk kell a megfigyelést,
és komolyabban gondolkoznunk.

A sötét anyag másik kutatásmódja

galaxisok megfigyelése.

Már említettem,

hogy a galaxisunk és sok más
galaxis sem létezne

a sötét anyag nélkül.

Azok a modellek előrejelzéseket adnak

a galaxisokkal kapcsolatos
egyéb dolgokról is:

milyen az eloszlásuk a világegyetemben,

merre mozognak,

hogy fejlődnek időben.

Az előrejelzéseket tesztelhetjük
az ég megfigyelésével.

Következzen a galaxisok méréséről

két példa:

Először is, készíthetünk térképeket
a galaxisokkal teli világegyetemről.

Tagja vagyok a Sötét Anyag
Kutatócsoportnak,

mi készítettük az eddigi
legnagyobb térképet a világegyetemről.

Százmillió galaxis helyét
és formáját mértük meg

az égbolt egynyolcad részén.

Ez a térkép tartalmazza az összes
anyagot az ég e területén,

melyre a fény százmillió galaxis
okozta eltéréséből következtettünk.

A fényt megtöri

a galaxisok és köztünk lévő összes anyag.

Az anyag gravitációja elég erős,
hogy eltérítse a fényt.

Ilyen képet kapunk.

Ezek a térképek megmutatják

a sötét anyag mennyiségét,

jelölik a helyét,

változását az idők folyamán.

A lehető legnagyobb léptékben

próbáljuk kinyomozni
a világegyetem összetételét.

Kiderült, hogy erre a legkisebb galaxisok

szolgáltatják a legtöbb adatot.

Miért van ez így?

Íme, két szimulációs példa

két különböző sötét anyagból
álló világegyetemről.

Mindkét képen

a Tejúthoz hasonló galaxis
körüli régió látható.

Megfigyelhetünk más anyagot is körülötte

kis halmazokban.

A jobb oldali képen

a sötét anyagrészecskék lassabban
mozognak, mint a bal oldalin.

Ha a sötétanyag-részecskék
valóban gyorsan mozognak,

akkor a kis halmazokban
a gravitáció nem elég erős,

hogy lefékezze a gyors részecskéket.

Tovább mozognak.

Ezek soha nem zuhannak be
a kis halmazokba.

Végül kevesebb marad belőlük,
mint a jobb oldali világegyetemben.

Ha nincsenek azok a kis halmazok,

akkor kevesebb törpegalaxist kapunk.

Ha a déli eget pásztázzuk,

akkor kettőt figyelhetünk meg
e két galaxis közül.

A Tejútrendszerünk körül keringő
legnagyobb törpegalaxist,

a Nagy Magellán-felhőt
és a Kis Magellán-felhőt.

Az elmúlt pár évben

egy csomó még kisebb
galaxist fedeztünk fel.

Pl. ez egyik közülük,

melyet a világegyetem
feltérképezése során alkalmazott

sötétanyag-kutatási módszerrel
fedeztünk fel.

Ezek igazi törpegalaxisok,

egyesek rendkívül kicsik.

Egyesek alig pár száz csillagból állnak,

a Tejútrendszer több
száz milliárdjához képest.

Ezért nehéz megtalálni őket.

De az utóbbi évtizedben

sokkal több ilyent találtunk.

Most 60 hasonló törpegalaxisról tudunk,

melyek Tejútrendszerünk körül keringenek.

Ezek a törpék a sötét anyag nagy talányai.

Mert e galaxisok létezése utal arra,

hogy a sötét anyag nem mozog gyorsan,

és nem sok minden történik,
mikor hagyományos anyaggal találkozik.

Az elkövetkező években

sokkal pontosabban
térképezzük fel az eget.

Ez segít finomítani felvételeinket

a teljes világegyetemről,
az egész galaxisról.

A fizikusok sokkal érzékenyebb
kísérleti méréseket végeznek,

hogy laborjaikban kimutassák
a sötét anyag nyomait.

A sötét anyag még mindig hatalmas rejtély.

De izgalmas dolog a kutatása.

Valós megnyilvánulásai vannak

a legkisebb galaxisoktól

a világmindenség nagyságrendűig.

Valóban megtaláljuk,
és valaha kiderül-e, hogy mi az?

Fogalmam sincs.

Addig is jól szórakozunk.

Több lehetőség van a felfedezésére,

és biztos többet tudunk meg a hatásáról,

és arról, hogy biztos mi nem lehet.

Függetlenül attól, hogy rövidesen
megtaláljuk-e azokat a részecskéket,

remélem, meggyőző voltam,

hogy a rejtély valamennyiünket érint.

A sötét anyag kutatása

teljesen újraértelmezheti a fizikát

és helyünket a világegyetemben.

Köszönöm.

(Taps)