Temna snov: kaj je, dokazi in vloga v vesolju

Temna snov je vrsta snovi, ki naj bi bila odgovorna za večino mase v vesolju. Čeprav je ne moremo neposredno opazovati, njeno prisotnost sklepamo iz gravitacijskih učinkov na vidne objekte in sevanje.

Kaj je povzročilo idejo o temni snovi

Ideja se je pojavila, ko so astronomi ugotovili, da je masa velikih astronomskih teles in njihovih gravitacijskih učinkov veliko večja od mase "svetleče snovi", ki jo vsebujejo zvezde, plin in prah. Temne sestavine ni mogoče pojasniti z razpoložljivo svetlo snovjo, zato astronomi domnevajo obstoj dodatne, nevidne mase.

Zgodovinski dokazi

Temno snov je leta 1932 prvi predlagal Jan Oort kot razlog za hitrost vrtenja zvezd v galaksiji. Neodvisno je Fritz Zwicky leta 1933 ugotovil, da se galaksije v kopicah obnašajo, kot da bi bilo v kopici veliko več mase, kot so jo lahko izmerili iz vidnih zvezd — to je opisal kot "manjkajočo maso". Sčasoma so se zbrali dodatni dokazi iz različnih virov, zaradi katerih večina astronomov sprejema obstoj temne snovi.

Glavni opazovalni dokazi

• Hitrost vrtenja galaksij: opazovane vrtilne hitrosti zvezd na robovih galaksij so prevelike, da bi jih držala samo vidna masa; to kaže na prisotnost dodatne mase, razporejene v halo okoli galaksij.
• Gravitacijska leča: ukrivljanje svetlobe oddaljenih virov zaradi gravitacije masivnih struktur razkriva več mase, kot je videti iz svetlečih komponent.
• Razporeditev vročega plina v galaksijah in kopicah: profil temperature in gostote X-sevalnega plina kaže na globlja gravitacijska potencialna polja, kakršna lahko zagotovlja le dodatna (temna) masa.
• Primer iz leta 2006 (Bullet Cluster): opazovanje trka dveh galaktičnih kopic je pokazalo ločenost med mestom največje mase (izmerjene z lečenjem) in toplim plinom, kar je skladno s tem, da se običajna snov ob trku upočasni, temna snov pa obnaša kot skoraj neodvisna masa.

Kvante v kozmologiji

Po podatkih ekipe misije Planck in na podlagi standardnega kozmološkega modela skupna masa in energija znanega vesolja vsebuje 4,9 % običajne snovi, 26,8 % temne snovi in 68,3 % temne energije. To pomeni, da naj bi temna snov predstavljala približno 84,5 % celotne snovi v vesolju, medtem ko temna energija skupaj s temno snovjo predstavlja okoli 95,1 % vseh "stvari" v vesolju. Te številke temeljijo na kombinaciji meritev kozmičnega mikrovalovnega ozadja, razporeditve galaksij in oddaljitev supernov tipa Ia.

Zakaj je temna snov nevidna

Ker se zdi, da temna snov ne oddaja ali odbija svetlobe, rentgenskih žarkov ali katerega koli drugega sevanja, običajni teleskopi in detektorji, namenjeni iskanju zvezd, plinov ali prahu, ne zaznavajo njenega neposrednega signala. Zato sklepamo na njeno prisotnost iz gravitacijskega vpliva na vidne objekte in sevanje.

Kako jo poskušamo odkriti

• Poskusi neposredne detekcije: podzemni eksperimentii (npr. s plinskimi, tekočinskimi ali kristalnimi detektorji) iščejo redek, a merljiv prenos energije ob trku delca temne snovi z jedri snovi v detektorju.
• Poskusi posredne detekcije: opazovanja iščejo proizvode morebitnih anihilacij ali razpadov temne snovi (gamma žarki, nevtrini, antimaterija) v galaxy haloih ali središčih galaksij.
• Eksperimenti v trkalnikih: na primer poskusi v LHC iščejo sledove nove fizike, ki bi lahko proizvedla delce, kandidata za temno snov, kot so stabilni nevtralni delci, ki v detektorjih pustijo le "manjkajočo" energijo.
• Astronomske študije struktur: podrobna merjenja lečenja, dinamike in razporeditve galaksij pomagajo omejiti prostorske lastnosti temne snovi in njeno vlogo pri nastanku struktur.

Možni kandidati

Obstaja več teoretičnih kandidatov za temno snov. Najbolj razširjeni so:

• WIMP-i (Weakly Interacting Massive Particles): težji delci, ki bi se redko in šibko (prek šibke sile) odzivali z običajno snovjo.
• Axioni: izjemno lahki delci, uvajani v nekaterih rešitvah problema močne interakcije v kvantni kromodinamiki.
• Sterilni nevtrini: hipotezni nevtrini, ki ne sodelujejo v šibkih interakcijah, razen prek mešanja z običajnimi nevtrini.
• MACHO-i (Massive Compact Halo Objects): temna snov kot nevidne zvezde ali črni luknje je bila delno izključena z opazovanji mikroleč in drugih podatkov.

Alternativne razlage

Nekateri raziskovalci so predlagali, da bi opazovane pojave lahko pojasnile spremembe v zakonih gravitacije (npr. MOND in njegove razširitve) namesto dodatne mase. Te alternative so v nekaterih primerih uspešne pri razlagi gibanja v posameznih galaksijah, a imajo težave pri razlagi meritev, kot so strukturiranje kopic galaksij in kozmično mikrovalovno ozadje, kjer temna snov zagotavlja bolj dosledno pojasnilo.

Zaključek

Temna snov je ena največjih neznank sodobne fizike in kozmologije. Čeprav natančna narava ostaja neznana, obsežen nabor neodvisnih opazovanj močno podpira njeno obstojnost kot glavne sestavine mase v vesolju. Raziskave potekajo s številnih front — astronomskih opazovanj, laboratorijskih eksperimentov in trkalnikov — in prihodnje odkritje bi imelo globoke posledice za naše razumevanje vesolja.

Leta 2006 je skupina znanstvenikov trdila, da je našla način, kako najti temno snov. Ker naj bi se temna snov zelo razlikovala od običajne snovi, naj bi delovala drugače. Znanstveniki so opazovali dve oddaljeni jami galaksij, ki sta pri veliki hitrosti trčili druga v drugo: običajna snov bi se po trčenju razpršila v bližini, temna snov pa ne. Z merjenjem gravitacije so lahko zaznali nekaj, kar je bilo videti kot dva oblaka temne snovi, med njima pa je bil oblak normalne snovi (vročega plina).

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je temna snov?

V: Kako znanstveniki menijo, da temna snov obstaja?

V: Kolikšen odstotek temne snovi predstavlja v vesolju?

V: Kako lahko odkrijemo temno snov?

V: Kaj je leta 2006 skupina znanstvenikov trdila, da je našla način za zaznavanje?

V: Kateri primeri kažejo, da je v našem vesolju prisotna temna snov?

Išči po črki