Patricia Burchat felfedi a sötét anyag titkát

Részecskefizikusként az elemi részecskéket tanulmányozom, és ezek kölcsönhatásait a legalapvetőbb szinten. Kutatói karrierem folyamán leginkább részecskegyorsítókat használtam, mint a Stanford Egyetem elektrongyorsítója, hogy a legkisebb méretben tanulmányozzam a dolgokat. Mostanában azonban az univerzum legnagyobb mérete felé fordult a figyelmem. Mivel, ahogy ezt ki fogom fejteni, a legkisebb és legnagyobb méretek kérdései szorosan összefonódnak. Az univerzum 21. századi felfogásáról fogok beszélni, hogy miből áll, és hogy mik a fizikai tudományok nagy kérdései -- legalábbis pár nagy kérdése.

A közelmúltban rájöttünk, hogy a szokványos anyag az univerzumban -- és szokványos alatt önöket értem, magamat, a bolygókat, a csillagokat, a galaxisokat -- a szokványos anyag csak néhány százalékát teszi ki az univerzum tartalmának. Az univerzum anyagának majdnem a negyede, vagy körülbelül a negyede láthatatlan. A láthatatlant úgy értem, hogy nem nyel el elektromágneses sugárzást. Nem bocsát ki elektromágneses sugárzást. Nem tükröződik. Nincs kölcsönhatásban az elektromágneses sugárzással, amit az észleléshez használunk. Egyáltalán nincs kölcsönhatásban vele. Akkor honnan tudjuk, hogy ott van? A gravitációs hatásokból. Valójában a sötét anyag nagy mértékben uralja a gravitációs hatásokat az univerzumban, és ennek a bizonyítékáról fogok beszélni.

Mi teszi ki a dolgok fennmaradó részét? A sötét energiának nevezett nagyon titokzatos anyag. Erre még visszatérünk. Egyelőre maradjunk a sötét anyag bizonyítékánál. Ezekben a galaxisokban, különösképp egy spirális galaxisban, mint a miénk, a csillagok tömegének nagyja a galaxis középpontjába sűrűsödik. Ezen csillagok óriási tömege tartja a csillagokat kör alakú pályán a galaxisban. A csillagok így keringenek. El tudják képzelni, ha a fizikában nem is jártasak -- csak józan ésszel -- hogy a tömegközépponthoz közelebbi csillagok gyorsabban fognak keringeni mint a távolabbiak.

Arra számítanánk, hogy ha megmérjük a csillagok keringési sebességét, akkor a peremen lassabbak lesznek, mint belül. Ha a sebességet a távolság függvényében nézzük, -- ígérem, ez az egyetlen grafikon, amit mutatok -- arra számítanánk, hogy csökken a távolság növekedésével a galaxis középpontjából kifelé. A méréseket elvégezve kiderült, hogy a sebesség alapjában véve állandó a távolság fügvényében. Ha állandó, az azt jelenti, hogy a csillagokra olyan anyag gravitációs ereje hat, amit mi nem látunk. Valójában ez és minden más galaxis úgy tűnik, hogy láthatatlan sötét anyag felhőjébe van ágyazva. és ez az anyagfelhő sokkal gömb alakúbb, mint a galaxis maga, és sokkal messzebbre terjed ki, mint a galaxis. A galaxist látjuk, és arra koncentrálunk, de valójában a sötét anyag felhője az, ami a galaxis szerkezetét és dinamikáját uralja.

A galaxisok nem véletlenszerűen szétszóródva helyezkednek el; hajlamosak halmazokba összeállni. Ez egy nagyon híres csillaghalmaz, a Coma-halmaz Több ezer galaxis van ebben a halmazban. A fehér, homályos, ellipszis alakú dolgok azok. Ezek a galaxishalmazok -- készítünk egy képet most, készítünk egy képet tíz év múlva -- ugyanígy fognak kinézni. De ezek a galaxisok valójában elképesztően gyorsan mozognak. A halmaz potenciális gravitációs kútja körül mozognak. Tehát mindezek a galaxisok mozognak. Meg tudjuk mérni a galaxisok sebességét, keringési sebességét, és kitalálhatjuk, hogy mekkora a halmaz tömege.

Újból azzal szembesülünk, hogy sokkal nagyobb itt a tömeg, mint amennyit a látott galaxisok alapján feltételezhetnénk. Vagy ha az elektromágneses spektrum más részeit figyeljük, akkor azt látjuk, hogy sokkal több gáz is van ebben a halmazban. De ez megint csak nem feltételezne ekkora tömeget. Látszólag közel tízszer annyi tömeg van itt láthatatlan sötét anyag vagy sötét energia formájában, mint a szokványos anyagként. Jó lenne, ha közvetlenebbül láthatnánk a sötét anyagot. Így csak ezzel a nagy kék pacával tudom jelezni, hogy emlékeztessem önöket a jelenlétére. Láthatjuk vizuálisabban? Igen.

Hadd mutassam meg, hogy ezt hogy is tesszük. Itt van egy megfigyelő: ez lehet egy szem, vagy akár egy teleszkóp. Tegyük fel, hogy itt van egy galaxis az univerzumban. Hogyan látjuk ezt a galaxist? Egy fénysugár hagyja el a galaxist és átutazza az univerzumot akár milliárdnyi éven keresztül, mielőtt eléri a teleszkópot vagy szemünket. Honnan következtethetünk a galaxis helyzetére? A sugár utazásának irányából következtethetünk rá ahogy eléri szemünk, igaz? Mondjuk erről jön a fénysugár; akkor a galaxis itt lehet. Tegyük fel, hogy ideteszek középre egy galaxishalmazt -- és ne feledkezzünk el a sötét anyagról sem. Ha megvizsgálunk egy másik fénysugarat, amely így halad, akkor számításba kell vennünk, amit Einstein jósolt, amikor kidolgozta az általános relativitáselméletet. Hogy a gravitációs mező, a tömegtől függően, nem csak a részecskék pályáját fogja meggörbíteni, de a fényt is.

Tehát ez a fénysugár nem egyenes irányban fog haladni, hanem görbült pályán, és így juthat el szemünkig. Hol fogja látni a megfigyelő a galaxist? Várom a válaszokat. Fent, igaz? Visszafele következtetünk, és azt mondjuk, hogy a galaxis itt van fent. Van más olyan fénysugár is, amely a megfigyelő szeméig juthat ebből a galaxisból? Igen, nagyon jó. Látom, hogy lefele mutatnak. Tehát a fénysugár lent is mehet, görbülve a megfigyelő szeméig, és a megfigyelő itt látja a fénysugarat.

Vegyük számításba azt is, hogy egy három dimenziós univerzumban lakunk, egy három dimenziós térben. Más fénysugarak is eljuthatnak a szemünkig? Igen! A sugarak egy tölcséren helyezkednének el. Tehát itt van egy fénysugár -- tölcséren elhelyezkedő fénysugarak -- melyeket meghajlít az a halmaz és eljutnak a megfigyelő szeméig. Mit látok, ha egy fénysugártölcsér érkezik a szemembe? Egy kört, egy gyűrűt. Einstein-gyűrűnek hívják -- Einstein megjósolta. Akkor lesz csak tökéletes gyűrű, ha a forrás, a deflektor és a szem pont egy vonalban helyezkednek el. Ha nem, akkor egy másfajta képet látunk.

Ma este odaát a fogadáson elvégezhetnek egy kísérletet, mely megmutatja, hogy fog kinézni ez a kép. Mivel ott rendelkezésünkre áll az a fajta lencse, melynek megfelelő a formája ehhez a hatáshoz. Ezt gravitációs lencsézésnek hívjuk. Ez itt az eszköz. (Nevetés). A felső részét hagyják figyelmen kívül. A talpra kell koncentrálniuk. Ha otthon összetörik egy borospohár, mindig félreteszem a talpát, és átviszem a műhelybe. Lecsiszoljuk, és kész a kis gravitációs lencse. Így megfelelő a formája a lencsézéshez. A következő teendő kísérletük során, hogy fognak egy szalvétát. Én egy egy négyzetrácsos papírt fogtam, fizikus vagyok. (Nevetés) Tehát egy szalvétát. Rajzoljanak egy kis sematikus galaxist a közepére. Tegyék a lencsét a galaxisra, és egy gyűrűt fognak látni, egy Einstein-gyűrűt. Mozdítsuk el a talpat oldalra, és a gyűrű ívekre oszlik. Bármilyen képre rátehetik. A négyzetrácsos papíron látható, hogyan torzulnak a négyzetrács vonalai. Ez jól bemutatja, hogy mi történik a gravitációs lencsézés közben.

A kérdés a következő: ezt látjuk az égen? Látunk íveket az égen, mikor egy galaxishalmazt figyelünk? A válasz: igen. Ez egy, a Hubble űrteleszkóptól származó kép. Sok kép, amit korábban mutattam a Hubble űrteleszkóptól származik. Először is, az arany galaxisok -- azok a halmaz galaxisai. Ezek a sötét anyag tengereibe ágyazott galaxisok okozzák a fény meggörbülését, mely optikai illúziókat, délibábokat csinál a háttérben lévő galaxisokból. A csíkok, amiket látnak, az összes csík, a sokkal messzebbi galaxisok torzított képei.

A torzítás mértékét alapul véve, amit ezeken a képeken látunk, kiszámolhatjuk, hogy mekkora tömegnek kell lennie ebben a halmazban. És ez hatalmas mennyiségű tömeg. Szabad szemmel is látható, hogy ezek az ívek nem központi galaxisok köré szerveződnek; egy valamilyen kiterjedtebb alakzat köré szerveződnek. És ez a sötét anyag, melybe a halmaz bele van ágyazva. Ez a legközvetlenebb módja, hogy lássuk legalább a hatásait a sötét anyagnak szabad szemmel.

Egy gyors összefoglalás, hogy biztosan követni tudják. A bizonyítékunk, hogy az univerzum negyede sötét anyag -- ez a gravitációs vonzást kifejtő anyag -- a sebesség, mellyel a csillagok a galaxisok körül keringenek túl nagy; ezért minden bizonnyal sötét anyagba vannak ágyazva. A sebesség, mellyel a halmaz galaxisai keringenek túl nagy; minden bizonnyal sötét anyagba vannak ágyazva. Továbbá látjuk ezeket a gravitációs lencsézés hatásokat, ezeket a torzulásokat, melyek szintén azt sugallják, hogy a halmazok sötét anyagba vannak ágyazva.

Akkor most térjünk át a sötét energiára. Hogy megértsük a sötét energia bizonyítékát, valamit meg kell beszélnünk, amire Stephen Hawking utalt egy korábbi előadásán. Ez pedig a tény, hogy a tér tágul. Képzeljük el végtelen univerzumunk egy szeletét, és tegyünk bele négy spirális galaxist. És képzeljük el, hogy ráhelyezünk egy sor mérőszalagot, úgy, hogy itt minden vonal egy mérőszalagnak feleljen meg -- vízszintes vagy függőleges -- a dolgok méréséhez. Ha ezt megtesszük, akkor azzal szembesülünk, hogy minden nappal, minden évvel, minden milliárd évvel, a galaxisok közötti távolság növekszik. És ez nem azért van, mert a galaxisok távolodnak egymástól a térben; nem feltétlenül mozognak a térben. Azért távolodnak egymástól, mert a tér maga növekszik. Ezt jelenti az univerzum vagy a tér tágulása. Szóval távolodnak egymástól.

Stephen Hawking említette, többek közt, hogy az ősrobbanás után a tér nagy iramban tágult. De mivel gravitációs vonzást kifejtő anyag van ebbe a térbe ágyazva, ez hajlamos a tér tágulását lelassítani. Így a tágulás idővel lelassul. A múlt században azon vitáztak az emberek, hogy vajon örökké folytatódni fog-e a tér tágulása, vajon lelassul, tudják, tovább fog lassulni, de folytatja örökké. Lassul és megáll, tünetmentesen megáll, vagy lassul, megáll, majd visszafordul, elkezd újra zsugorodni. Egy kicsit több, mint tíz évvel ezelőtt, fizikusok és csillagászok két csoportja elkezdte megmérni a mértéket, mellyel a tér tágulása lassul. Mennyivel tágul lassabban most, mint mondjuk néhány milliárd évvel ezelőtt?

A kísérletek alapján a kérdésre adott zavarba ejtő válasz az volt, hogy ma gyorsabban tágul a világegyetem, mint egy pár milliárd évvel ezelőtt. Tehát a tér tágulása valójában egyre gyorsabb. Ez teljesen meglepő eredmény volt. Nem létezik meggyőző elméleti elgondolás, mely ezt megmagyarázná. Senki nem jósolta meg előre, hogy ez lesz az eredmény. Pont az ellenkezője, mint amire számítottunk. Szóval szükségünk van valamire, ami ezt megmagyarázza. Kiderült, hogy matematikailag energiaként írható le ez a valami. De különbözik minden energiától, amit eddig ismertünk. Sötét energiának nevezzük, és ez okozza a tér tágulását. Még nincs megfelelő motivációnk ennek a használatára. Egyelőre nincs megmagyarázva, hogy miért használjuk.

Ennél a pontnál azt szeretném önöknek hangsúlyozni, hogy a sötét anyag és a sötét energia két teljesen különböző dolog. Két rejtélyes dolog alkotja univerzumunk nagy részét, és nagyon különböző a hatásuk. A sötét anyag, mivel gravitációs vonzó hatást fejt ki, hajlamos az alakzatok növekedését elősegíteni. Tehát galaxishalmazok képződnek ezekből a gravitációs vonzásokból kifolyólag. A sötét energia ugyanakkor, egyre több és több teret képez a galaxisok között. Csökkenti a gravitációs vonzást közöttük, és így gátolja az alakzat növekedését. Ezért vizsgáljuk a galaxishalmazokat, sűrűségüket, számukat az idő függvényében, hogy megtudjuk, hogy a sötét anyag és sötét energia hogyan verseng egymással az alakzat formálásában.

A sötét anyagból következően, ahogy mondtam, nincs meggyőző érv a sötét energia mellett. Van valami a sötét anyag mellett? A válasz: igen. Jó esélyekkel induló jelöltjeink vannak a sötét anyagra. Mit értek jó esélyek alatt? Olyan matematikailag következetes elméleteket, melyeket eredendően azért vezettek be, hogy teljesen más jelenségeket magyarázzanak meg, olyanokat, melyeket egyáltalán nem is említettem, és megjósolják a létezését egy nagyon gyenge kölcsönhatásban fellépő új részecskének.

Pontosan erre számítunk a fizikától: egy olyan matematikailag következetes elméletből származik a jóslat, melyet valami teljesen másért dolgoztak ki. De nem tudhatjuk, hogy bármelyikük is ténylegesen sötét anyag jelölt-e. Csak az egyik vagy mindkettő? Lehet, hogy valami teljesen más. Kutatunk a sötét anyag részecskéi után, mivel végső soron itt vannak a szobában, és nem az ajtón jöttek be. Áthaladnak mindenen. Jöhetnek az épületen keresztül, a földön keresztül; annyira kölcsönhatásba sem lépők.

Tehát az egyik módja kutatásuknak, hogy detektorokat építünk, melyek nagyon érzékenyek a rajtuk áthaladó és beléjük ütköző sötét anyag részecskékre. Tehát egy kristály, amely jelez ez esetben. Egyik kollégám és munkatársai építettek egy ilyen detektort. És egy vasbánya mélyén helyezték el Minnesotában. Mélyen a föld alatt -- és az elmúlt pár napban jelentették be az eddigi legérzékenyebb eredményeket. Nem találtak semmit, de ez korlátozza a tömegét és kölcsönhatás erejét a sötét anyag részecskéinek. Még ez évben felbocsájtanak egy teleszkóp műholdat. Amely a galaxis közepe felé fog nézni, hogy megpróbálja megfigyelni a megsemmisülő sötét anyag részecskéket, és érzékelni az általuk kibocsájtott gamma sugarakat. A Nagy Hadronütköztető egy részecskegyorsító, melyet ez évben indítanak be. Lehetséges, hogy fognak sötét anyag részecskék képződni a Nagy Hadronütköztetőben.

Mivel olyannyira nem lépnek kölcsönhatásba, ezért a detektor sem fogja jelezni őket, így az árulkodó jel pont a hiányzó energia lesz. Sajnos sok az olyan új fizikai elképzelés, melynek árulkodó jele a hiányzó energia lehet, tehát nehéz lesz különbséget tenni. És végül, a jövőbeli törekvéseket tekintve, olyan teleszkópokat terveznek melyek kifejezetten a sötét anyag és a sötét energia kérdésére hivatottak válaszolni: földi teleszkópok. És három űrteleszkóp melyek nemsokára elkészülnek, hogy felbocsátva a sötét anyagot és sötét energiát kutassák. A nagy kérdéseket tekintve: Mi az a sötét anyag? Mi az a sötét energia? Ezek a fizika nagy kérdései. Bizonyára önöknek is sok kérdésük van. Nagyon szívesen megválaszolom őket a következő 72 órában, amíg itt vagyok. Köszönöm (Taps)