Patriša Burčet rasvetljava tamnu materiju

Kao fizičar čestica, ja proučavam elementarne čestice i kako one međusobno reaguju na najosnovnijem nivou. Veći deo svoje istraživačke karijere koristim akceleratore, kao što je akcelerator elektrona na Univerzitetu Stanford, ovde blizu, kako bi proučavala stvari na najmanjoj skali. Ali od nedavno, počela sam da se bavim univerzumom na najvećoj skali. Pošto su, kako ću vam objasniti, pitanja na najmanjoj i najvećoj skali zapravo veoma povezana. Znači pričaću vam o našem viđenju univerzuma u 21. veku, od čega se sastoji i koja su velika pitanja fizičkih nauka -- barem neka od velikih pitanja.

Nedavno smo shvatili da obična materija u univerzumu -- i kada kažem obična materija mislim na vas, OK, mene, planete, zvezde, galaksije -- obična materija koja čini samo nekoliko procenata sastava univerzuma. Skoro četvrtina, ili otprilike četvrtina materije u univerzumu, je ono što je nevidljivo. Kada kažem nevidljivo mislim da ne apsorbuje elektromagnetni spektar. Ne emituje u elektromagnetni spektar. Ne reflektuje. Nema interakciju sa elektromagnetnim spektrom, koga koristimo za detekciju stvari. Uopšte nema interakcije. Pa kako onda znamo da je tu? Znamo da je tu zbog njegovog gravitacionog dejstva. Zapravo, ova tamna materija dominira gravitacionim efektima u univerzumu na velikoj skali, i govoriću vam o dokazima za to.

A šta je sa ostatkom kruga? Ostatak kruga je veoma misteriozna supstanca nazvana tamna energija. Više o tome kasnije, OK. Za sada, hajde da se okrenemo dokazima za tamnu materiju. U ovim galaksijama, posebno u spiralnoj galaksiji poput ove, većina mase zvezda je koncentrisana u sredini galaksije. Ova ogromna masa svih ovih zvezda drži zvezde u kružnim orbitama u galaksiji. Znači imamo ove zvezde koje kruže ovako. Kao što pretpostavljate, čak iako znate fiziku --ovo treba da je intuitivno, OK -- da će se zvezde koje su bliže masi u sredini rotirati većom brzinom od onih koje su udaljenije, OK.

Ono što biste očekivali jeste da ako biste merili orbitalnu brzinu zvezda, one bi trebalo da budu sporije na ivicama nego unutra. Drugim rečima, ako bi merili brzinu kao funkciju rastojanja -- ovo je jedini put da ću prikazati grafikon, OK-- očekivali bismo da se ona smanjuje kako se rastojanje povećava od centra galaksije. Kada se ta merenja izvrše, umesto toga nalazimo da je brzina u suštini konstantna, kao funkcija rastojanja. Ako je konstantna, to znači da zvezde tamo osećaju gravitaciono dejstvo materije koje mi ne vidimo. Zapravo, ova galaksija i svaka druga galaksija su izgleda ubačene u oblak ove nevidljive tamne materije. A ovaj oblak materije je mnogo više sferičan nego same galaksije, i prostire se preko veće oblasti od galaksije. Znači vidimo galaksiju i to fiksiramo, ali to je zapravo oblak tamne materije koji dominira strukturom i dinamikom ove galaksije.

Same galaksije nisu nasumično razbacane po prostoru; one imaju tendenciju da se grupišu. I ovo je primer veoma, zapravo, čuvene grupe: Coma grupe. A postoje hiljade galaksija u ovoj grupi. One su ove bele, mutne, eliptične stvari ovde. Znači ove galaksije se grupišu - sada ih slikamo, i ako ih slikamo za deset godina -- izgledaće isto. Ali ove galaksije se zapravo kreću veoma visokim brzinama. One se kreću okolo u ovoj gravitacionoj potencijalnoj jami ove grupe, OK. Znači sve ove galaksije se kreću. Možemo meriti brzine ovih galaksija, njihovu orbitalnu brzinu, i izračunati koliko mase postoji u ovoj grupi.

I ponovo, vidimo da postoji mnogo više mase tu nego što se može pripisati galaksijama koje vidimo. Ili ako posmatramo druge delove elektromagnetnog spektra, vidimo da postoji dosta gasa u ovoj grupi takođe. Ali ni to ne može objasniti masu. Zapravo, izgleda da postoji oko deset puta više mase ovde u obliku ove nevidljive ili tamne materije nego što postoji obične materije, OK. Bilo bi lakše kada bismo mogli da direktnije vidimo ovu tamnu materiju. Staviću ovu veliku, plavu mrlju ovde, OK, da bih vas podsetila da je tu. Da li je možemo jasnije videti? Da, možemo.

Sada ću vam objasniti na koji način to možemo učiniti. Ovo je posmatrač. to može biti oko; može biti teleskop. I pretpostavimo da postoji galaksija tamo u univerzumu. Kako vidimo tu galaksiju? Zrak svetlosti napušta galaksiju i putuje kroz univerzum možda milijardama godina pre nego što dospe u teleskop ili vaše oko. Sada, kako zaključujemo gde je ta galaksija? Pa, zaključujemo prema smeru u kome putuje zrak dok ulazi u naše oko, uredu? Kažemo, zrak svetlosti je došao odavde; galaksija mora da je tamo, OK. Sada, pretpostavimo da između stavim grupu galaksija -- i ne zaboravite na tamnu materiju, OK. Sada, ako uzmemo u obzir drugi zrak svetlosti, koji ide ovako, sada moramo uzeti u obzir Ajnštanova predviđanja iz teorije opšte relativnost. A to je da gravitaciono polje, zbog mase, skreće ne samo putanju čestica, već skreće i samu svetlost.

Znači ovaj zrak svetlosti neće nastaviti da ide pravolinijski, već će se saviti i na kraju bi mogao da završi u vašem oku. Gde će posmatrač videti galaksiju? Možete odgovoriti. Gore, jel' tako? Ekstrapoliramo unazad i kažemo da je galaksija tamo gore. Da li postoji neki drugi zrak svetlosti koji bi mogao da stigne do oka posmatrača iz te galaksije? Da, super. Vidim ljude koji ovako pokazuju. Znači zrak svetlosti bi mogao da ide na dole, da se savije u oko posmatrača, i posmatrač vidi zrak svetlosti ovde.

Sada, uzmimo u obzir činjenicu da živimo u trodimenzionalnom univerzumu, OK, u trodimenzionalnom prostoru. Da li ima još zraka svetlosti koji mogu da dospeju u oko? Da! Zraci bi ležali na --volela bih da vidim --da, na kupi. Znači postoje zraci svetlosti -- zraci svetlosti na kupi -- koji će svi biti savijeni tom grupom i dospeti u oko posmatrača. Ako postoji kupa svetlosti koja dolazi do mog oka, šta ja vidim? Krug, prsten. To se naziva Ajnštajnovim prstenom -- Ajnštan je to predvideo, OK. Sada, to će biti savršeni prsten ako su izvor, prepreka, i oko, u ovom slučaju, u savršenoj pravoj liniji. Ako su malo ukrivo, videćemo drugačiju sliku.

Sada, možete probati eksperiment večeras na prijemu, OK, da zaključite kako će ta slika izgledati. Jer se ispostavlja da postoji sočivo koje možemo napraviti, koje je odgovarajućeg oblika da stvori tu vrstu efekta. Ovo nazivamo gravitacionim sočivom. I tako, ovo je vaš instrument, OK. (Smeh). Ali zanemarite gornji deo. Želim da se koncentrišete na osnovu, OK. Zapravo, kod kuće, kada god slomimo vinsku čašu, Sačuvam dno, odnesem je do mašinske radionice. Skinemo gornji deo i imamo malo gravitaciono sočivo, OK. Znači to je pravi oblik za pravljenje sočiva. I sledeća stvar koju želim da uradite u vašem eksperimentu, jeste da uzmete salvetu. Ja sam uzela parče milimetarske hartije. Ja sam ipak fizičar. (Smeh) Znač, salvetu. Nacrtajte mali model galaksije u sredini. I onda stavite sočivo preko galaksije, i videćete da ste dobili prsten, Ajnštajnov prsten. A sada pomerite osnovu na stranu, i prsten će se podeliti na lukove, OK. I možete ga staviti preko bilo koje slike. Na milimetarskoj hartiji možete videti kako su sve linije na milimetarskoj hartiji izobličene. I ponovo, ovo je neka vrsta preciznog modela onoga što se dešava sa gravitacionim sočivom.

OK, znači pitanje je: da li vidimo ovo na nebu? Da li vidimo lukove na nebu kada gledamo, na primer, grupu galaksija? I odgovor je: da. I tako, ovo je slika od svemirskog teleskopa Hubble. I mnoge od slika koje gledate su ranije dobijene sa svemirskog teleskopa Hubble. Kao prvo, za galaksije zlatnog oblika -- to su galaksije u grupi. To su one ugrađene u more tamne materije koje izazivaju savijanje svetlosti da bi izazvale optičke iluzije, fatamorgane, praktično, galaksija u pozadini. Znači crte koje vidite, sve ove crte, su zapravo iskrivljene slike galaksija koje su mnogo više udaljene.

Ono što možemo je da, onda, na osnovu stepena iskrivljenja koje vidimo na tim slikama, izračunamo koliko mase mora da postoji u ovoj grupi. A to je ogromna količina mase. I takođe, možete videti golim okom, dok ovo posmatrate, da ovi lukovi nisu centrirani u pojedinačnim galaksijama; oni su centrirani u nekoj raširenijoj strukturi. A to je tamna materija u kojoj je ugrađena grupa, OK. Znači to je najbliže što možemo doći da vidimo barem efekte tamne materije golim okom.

OK, kratak pregled, da vidim da li pratite. Znači dokazi koje imamo da četvrtinu univerzuma čini tamna materija -- ono što privlači putem gravitacije -- jeste da galaksije, brzine kojim zvezde orbitiraju oko galaksija jesu prevelike; mora da bude ugrađena u tamnu materiju. Brzina kojom galaksije u okviru grupa orbitiraju je prevelika; mora da je ugrađena u tamnu materiju. I vidimo ove efekte gravitacionog sočiva, ova izobličenja koja ponovo ukazuju da su grupe ugrađene u tamnu materiju.

OK. Hajde sada da se bavimo tamnom energijom. Da bi razumeli dokaze za tamnu energiju, potrebno je razmotriti nešto što je Stephen Hawking spomenuo u prethodnoj sesiji. A to je činjenica da se sam prostor širi. Znači ako zamislimo deo našeg beskonačnog univerzuma, OK, pa sam ovde stavila četiri spiralne galaksije, OK. I zamislimo da stavite nekoliko metara za merenje, tako da se svaka linija ovde poklapa sa metrom za merenje -- horizontalno ili vertikalno -- za merenje gde se šta nalazi. Ako biste to mogli da uradite, videli biste svakim danom, svakom godinom, svakom milijardom godina, OK, da se rastojanje između galaksija povećava. A to nije zato šte se galaksije međusobno udaljuju kroz svemir; nije baš da se kreću kroz svemir. One se međusobno udaljavaju jer se sam svemir povećava, OK. To znači širenje univerzuma ili prostora. Znači one se udaljavaju.

Sada, ono što je Stephen Hawking pomenuo, takođe, jeste da se nakon Velikog praska, prostor širio veoma velikom brzinom. Ali pošto je materija koja ima gravitaciono privlačenje ugrađena u ovaj prostor, ona ima tendenciju da usporava širenje prostora, OK. Znači širenje se usporava s vremenom. Znači, u prošlom veku, ljudi su raspravljali o tome da li će se ovo širenje prostora nastaviti zauvek, da li će se usporiti, znate, da li će se usporavati, ali nastavljati zauvek. Usporiti i stati, asimptotski stati, ili usporiti, zaustaviti, a onda, obratno ponovo početi da se skuplja. Pre nešto više od jedne decenije, dve grupe fizičara i astronoma su počeli da mere stopu po kojoj se širenje prostora usporava, OK. Za koliko manje se širi danas, u poređenju sa, na primer, pre par milijardi godina?

Zapanjujući odgovor na ovo pitanje, iz ovih eksperimenata, jeste da se prostor širi brže danas, nego pre nekoliko milijardu godina, OK. Znači širenje prostora se zapravo ubrzava. Ovo je bio potpuno iznenađujući rezultat. Ne postoji ubedljiv teorijski argument zašto se ovo događa, OK. Niko nije unapred predvideo da će se to utvrditi. Očekivalo se upravo suprotno. Zato nam je potrebno nešto što će moći to da objasni. Sada ispada, u matematici, možete to nazvati vrstom energije. Ali to je potpuno drugačija vrsta energije od bilo čega što smo do sada videli. Mi to nazivamo tamnom energijom, i ima dejstvo da izazove da se prostor širi. Ali nemamo dobar razlog da to uvedemo u ovom trenutku, OK. Znači potpuno je neobjašnjeno zašto moramo da to unesemo.

Sada, u ovom trenutku, onda, ono što želim da vam naglasim, jeste da su kao prvo, tamna materija i tamna energija potpuno različite stvari, OK. Postoje stvarno dve misterije o tome šta čini veći deo univerzuma, i one imaju veoma različita dejstva. Tamna materija, pošto gravitaciono privlači, ima tendenciju da ohrabruje rast strukture, OK. Tako da će grupe galaksija imati tendenciju da se formiraju, zbog ovog gravitacionog privlačenja. Tamna energija, s druge strane, stvara sve više i više prostora između galaksija. Čini da se - gravitaciona privlačnost među njima - smanjuje, i tako ometa rast strukture. I tako posmatrajući stvari poput grupa galaksija, i kako one -- njihov broj gustine, koliko ih ima kao funkcija vremena -- učimo o tome kako se tamna materija i tamna energija međusobno takmiče u formiranju strukture.

Što se tiče tamne materije, rekla sam da nemamo, znate, stvarno ubedljiv argument za tamnu energiju. Da li imamo nešto za tamnu materiju? I odogovor je: da. Imamo dobro motivisane kandidate za tamnu materiju. Šta znači dobro motivisane? Mislim da imamo matematički konzistentne teorije koje su zapravo uvedene da objasne potpuno različite fenomene, OK, stvari o kojima nisam čak ni govorila, koje previđaju postojanje veoma slabo reagujuće nove čestice.

Zapravo ovo je baš ono što želite u fizici: kada previđanje potekne iz matematički konzistentne teorije koja je zapravo razvijena za nešto drugo. Ali mi ne znamo da li je ijedna od ovih stvarno kandidat za tamnu materiju, OK. Jedna, ili obe, ko zna? Ili je možda nešto potpuno drugačije. Sada tražimo ove čestice tamne materije jer ipak, one su ovde u sobi, OK, a nisu ušle kroz vrata. One jednostavno prolaze kroz bilo šta. One mogu proći kroz zgradu, kroz zemlju; one nemaju interakciju.

Znači jedan način da ih posmatramo jeste da izgradimo detektore koji su izuzetno osetljivi na tamne čestice koje prolaze kroz i sudaraju se s njima. Znači kristal koji će zvoniti ako se to dogodi. Pa su jedan moj kolega ovde niz ulicu i njegovi saradnici sagradili takav detektor. I postavili ga duboko u rudniku gvožđa u Minesoti, OK? -- duboko pod zemljom -- i zapravo, u poslednjih nekoliko dana su objavili najosetljivije rezultate do sada. Ništa nisu videli, OK, ali to postavlja granice onoga što su masa i snaga interakcija ovih čestica tamne materije. Biće lansiran satelitski teleskop kasnije ove godine. I biće uperen ka središtu galaksije, tako da možemo da vidimo čestice tamne materije kako uništavaju i proizvode gama zrake koji bi mogli da se ovim detektuju. Veliki hadronski sudarač, akcelerator čestica, koji će biti uključen kasnije ove godine. Moguće je da će nastati čestice tamne materije u Velikom hadronskom sudaraču.

Sada, pošto su toliko neinteraktivne, one će zapravo pobeći detektoru, pa će njihov otisak biti energija koja nedostaje, OK. Nažalost, ima mnogo nove fizike čiji bi otisak takođe mogao biti energija koja nedostaje, pa će biti teško napraviti razliku. I na kraju, za buduće napore, prave se teleskopi konkretno da se bave pitanjima tamne materije i tamne energije: teleskopi koji će biti na zemlji. I postoji tri teleskopa baziranih u svemiru koji su sada u konkurenciji da se lansiraju kako bi ispitivali tamnu materiju i tamnu energiju. Znači što se tiče velikih pitanja: Šta je tamna materija? Šta je tamna energija? Velika pitanja sa kojima je suočena fizika. I sigurna sam da vi imate puno pitanja. Na koja ću rado odgovoriti tokom sledećih 72 sata dok sam ovde, OK. Hvala. (Aplauz)