Тъмната материя

Още от момента, в който Фриц Цвики формулира през 30-те години на миналия век теорията за съществуването на така наречената „тъмна материя”, тя звучи повече като научна измислица, отколкото като реално съществуващ елемент в градивния състав на Вселената.

Най-простото обяснение

Самата идея за нещо, което е невидимо както с просто око, така и със специализирани средства за наблюдение (радиотелескопи), нито излъчва, нито отразява електромагнитни вълни, но притежава огромна маса, т.е. за присъствието му може да се съди само по-косвени доказателства, звучи, меко казано, странно. И дори до известна степен ненаучно.
Така де, какво изобщо значи: тъмната материя трябва да съществува, защото иначе нищо в астрофизиката и космологията няма смисъл?
Всъщност теорията, че във Вселената най-вероятно има невидима материя с много голяма маса, възниква в резултат от огромните разлики между теорията (отчитаща само видимата материя) и реалните експерименти. Според учените друго обяснение не може да има, т.е. тъмната материя е плод на дедукция от типа на „щом изглежда като патица, движи се като патица и кряка като патица...”
В резултат през последния почти един век всички изследователи на Вселената приемат съществуването на подобна невидима маса. При това все повече я приемат за даденост въпреки факта, че всички експерименти, целящи да докажат макар и косвено нейното съществуване, до момента удрят на камък.
Един от водещите изследователи в областта на космологията, работещ в областта, изучаваща процеса на формиране на галактиките – професор Карлос Френк, категорично не е съгласен с това разбиране.
„Изведнъж установих, че много млади учени разглеждат тъмната материя като даденост”, споделя той. „Това е просто скандално!”
Гневът на професор Френк е напълно разбираем. Макар да е един от най-яростните защитници на тезата, твърдяща, че по-голямата част от Вселената представлява студена, тежка „супа” от невидимо „тъмно” вещество, той уверено смята, че ние все още сме твърде далеч от привеждането на достатъчно много, убедителни и което е по-важното последователни доказателства в подкрепа на тази теория.

Щом не я виждаме, значи трябва да е там някъде...

През 30-те години на миналия век концепцията за тъмна материя се появява в опит да се обяснят емпиричните наблюдения на галактическите клъстери, които се оказва, че се въртят прекалено бързо за количеството нормална (видима) материя, от която се състоят.

По-късно през 70-те „предсказанието” за съществуването на тъмна материя се оказва изключително удобно обяснение за високата скорост на собствено въртене на галактиките, които изглеждат сякаш подложени на допълнително гравитационно влияние, което го ускорява. Следователно във Вселената има огромно количество тъмна материя с огромна маса (и респективно гравитация).
По това време обаче много от учените смятат, че със същия успех бихме могли да твърдим, че 5/6 от Вселената се състоят от магически прах, който я кара да тиктака.
Експериментите и реалните емпирични наблюдения на заобикалящия ни Космос през последните години обаче подсказват, че защитниците на идеята за тъмна материя (и енергия) са по-скоро на прав път – особено що се отнася до странните и трудни за обяснение начини, по които галактиките и другите обекти с голяма маса, съществуващи във Вселената, огъват светлината.

Теория за теорията

Разбира се, тук остава да виси въпросът: „Ако приемем, че тъмна материя съществува, то какъв е нейният състав? От какви частици е изградена тя?”
Учените, занимаващи се с физика на елементарните частици, имат известни идеи, базиращи се на така наречената Теория на суперсиметрията, която твърди, че всяка позната ни частица има свой по-тежък партньор (или аналог).

Един такъв вид са така наречените WIMPs (weakly interactive massive particles), т.е. тежки частици, които много слабо взаимодействат с обикновеното вещество.
Според теорията те притежават маса (т.е. създават гравитация и се влияят от нея), но не взаимодействат със светлината (следователно не могат да бъдат видени).
Съществуването на подобни частици би паснало идеално на идеята за тъмна материя, още повече, че някои изчисления удобно подсказват, че количеството WIMPs, създадени по време на Големия взрив, съответства на въздействията, които тя се предполага, че оказва върху космическите обекти (въздействия, които се наблюдават реално, но за които липсва убедително обяснение).

Когато ЦЕРН мълчи...

И всичко това би било чудесно, ако не липсваха каквито и да било доказателства както в подкрепа на Теорията за суперсиметрията, така и за съществуването на въпросните тежки частици с много слабо въздействие. Близо 4-годишните непрекъснати експерименти на прословутия Голям адронен ускорител на ЦЕРН от стартирането му през 2008 до днес не произведоха дори намек за съществуването им, макар че учените възлагат известни надежди в тази посока за бъдещата серия експерименти с него, когато той бъде рестартиран за нова серия опити при по-високи енергийни нива (от порядъка на 14 трилиона електронволта), които евентуално ще започнат през 2015.
Още по-фатален удар върху идеята за WIMPs-базираната „студена” тъмна материя нанесоха експериментите на космолога Майкъл Бойлън-Колчин от Университета в Калифорния. През миналата година той създава серия симулации, които би трябвало да демонстрират ефекта на студената тъмна материя върху формация от минигалактики джуджета, които се наблюдават в непосредствена близост около Млечния път.
Резултатите са изненадващи и разочароващи едновременно. „Това, което наблюдавах, просто нямаше смисъл”, обяснява Бойлън-Колчин. „При симулациите формациите бяха значително по-плътни и масивни, от това, което регистрираме при реални наблюдения на Вселената.”

Наскоро обаче възникна и една нова интересна теория, която изследва това несъответствие между математически модели и реални наблюдения. Според нея тъмната материя се намира в непрекъснато взаимодействие с обикновеното вселенско вещество и е податлива на мощни гравитационни въздействия, генерирани, да речем, от експлозиите на супернови звезди.
Това дава нова надежда на поддръжниците на концепцията за тъмна материя, тъй като, макар теорията да настоява, че тя не може да бъде регистрирана със сега съществуващите средства за наблюдение, с които разполагаме, нейното присъствие все пак би могло да бъде регистрирано косвено.
Телескопът „Ферми” например, улавящ емисии на гама-лъчи, може да бъде ценен източник на подобна информация. Учените предполагат, че когато са подложени на влияния от страна на нормалната материя (избухвания на супернови или възникването на газови спирали, предизвикани от привличането на черни дупки например), градивните частици на тъмната материя се сблъскват помежду си и се анихилират. Това предизвиква изблик на енергия и респективно кратки проблясъци на излъчени гама-лъчи.

Просто техническа грешка?

Уви, първоначално надеждите на поддръжниците и на тази теория са попарени. В никое от многобройните изследвания и наблюдения, регистрирани от „Ферми”, не могат да бъдат открити доказателства за подобни гама-лъчеви фотони, генерирани от анихилация на частици тъмна материя.
Неотдавна обаче един германски учен от института „Макс Планк” в Мюнхен излезе с много интересно обяснение на проблема. Според Кристоф Венигер до момента учените просто са гледали в погрешна посока. Вместо наблюденията на джуджетата галактики, намиращи се в периферията на Млечния път, той търси доказателства за наличието на тъмна материя в самия център на нашата собствена галактика.
При това дори не точно в центъра й, а на около един градус встрани от него. Там, погребани сред тоновете публично публикувани данни от наблюденията, извършени от „Ферми”, той открива остатъчни гама-радиационни излъчвания, всички с енергия от около 130 гигаелектронволта.
Според Венигер това са именно косвените доказателства за наличие на тъмна материя, които всички толкова упорито търсят.
Публикациите му, разбира се, предизвикват сериозни брожения сред астрофизиците и космолозите. Някои дори смятат, че те са резултат по-скоро от дефект на телескопа, грешка в калибрирането му, а не реални, практически (макар и косвени) доказателства за съществуването на тъмна материя.

Дилемата на затворника

Уви, в крайна сметка всичко това за пореден път връща учените в изходна позиция и налива още вода в мелницата на групата противници на самата идея за тъмна материя и тъмна енергия, за които тези понятия са просто израз на нашето невежество по въпроса за структурата и състава на Вселената – точно както надписът terra incognita върху белите полета на древните карти.

Дали е така или не, само бъдещето ще покаже. Засега сигурно е едно: експериментите и търсенията на учените продължават – и ще продължават поне до момента, в който някой не докаже (или отхвърли) по достатъчно убедителен начин, че тъмна материя съществува. Разбира се, тежко му на този, който докаже противното – защото в същия миг той ще се изправи пред огромното предизвикателство да намери друго, достатъчно добро обяснение на смущаващо големите разминавания между теория и емпирика.