В черната дупка на физиката - „Нямаме никаква представа“ или обяснение в любов на науката
Наука

Откъс от „Нямаме никаква представа“: Вие плувате в тъмна материя

Откъс от книгата „Нямаме никаква представа“ (издателство „Изток-Запад“) на Хорхе Чам и Даниел Уайтсън.

КАКВО ПРЕДСТАВЛЯВА ТЪМНАТА МАТЕРИЯ?

Вие плувате в нея

Според физиците изумителните 27% от материята и енергията в познатата Вселена са съставени от нещо, наречено „тъмна материя“. Това означава, че повечето материя във Вселената не е от вида, който изучаваме от векове. Съществува пет пъти повече от тази загадъчна материя, отколкото нормалната материя, която познаваме. Всъщност няма да е честно да наричаме нашата материя „нормална“, след като в действителност във Вселената тя е истинска рядкост.

Добре, какво е тъмната материя? Тя опасна ли е? Може ли да изцапа дрехите ни? Как сме разбрали, че съществува?

Тъмната материя е навсякъде. В действителност в момента вероятно плуваме в нея. Нейното съществуване е било предположено за първи път през 20-те години на ХХ в., а за първи път е била взета на сериозно през 60-те години, когато астрономите забелязали нещо странно около начина, по който се въртят галактиките, както и какво означавало това за количеството на масата в тях.

Признаци за наличие на тъмна материя

  1. Въртенето на галактиките

За да разберем връзката между тъмната материя и въртящите се галактики, си представете цял куп топчета за пинг-понг, поставени на въртележка. А сега си представете, че завъртате въртележката. Очаква се топчетата за пинг-понг да се разлетят от нея. Въртящата се галактика работи почти по същия начин.  Тъй като галактиката се върти, звездите са устремени да излетят навън от нея. Единственото, което ги свързва да останат заедно, е силата на гравитацията на цялата маса на галактиката (гравитацията притегля нещата с маса едно към друго). Колкото по-бързо се върти галактиката, толкова повече маса е нужна, за да удържи звездите вътре в нея. Съответно, щом знаете масата на галактиката, сте в състояние да прогнозирате колко бързо може да се върти тя.

Първоначално астрономите се опитвали да преценят каква е масата на галактиките, като брояли звездите в тях. Но когато използвали получения брой, за да изчислят колко бързо би трябвало да се въртят галактиките, нещо не било наред. Измерванията показвали, че галактиките се въртят по-бързо, отколкото сочели прогнозите, базирани на броя на звездите в тях. С други думи, звездите трябвало да се разлитат от галактиките точно както топчетата за пинг-понг от въртележката. За да обяснят високата скорост на въртене, астрономите трябвало да добавят огромно количество маса към изчисленията си, за да могат звездите да се задържат заедно. Но те не виждали къде би могла да се намира тази маса. Това противоречие можело да се разреши, ако се прие­ме, че във всяка галактика съществува огромно количество от някакъв вид тежко вещество, което било невидимо, или „тъмно“.

 

Твърдението било доста необичайно. А както е казал прочутият астроном Карл Сейгън: „Необичайните твърдения изискват необичайни доказателства.“ И така в продължение на десетилетия тази странна главоблъсканица съществувала в астрономическата общност, без да бъде разгадана. С отминаването на годините съществуването на тази загадъчна невидима тежка материя (или тъмна материя, както добила известност) ставало все по-широко прието.

  1. Гравитационните лещи

Друга съществена улика, която убедила учените, че тъмната материя съществува, било наблюдението, че тя може да изкривява светлината. Това явление се нарича гравитационна леща.

Понякога астрономите се взирали в небето и забелязвали нещо странно. Те виждали образа на галактика, идващ от една посока. В това няма нищо странно, но ако отместели телескопа съвсем мъничко, наблюдавали образ на друга галактика, която много приличала на първата. Формата, цветът и светлината, които идвали от тези галактики, били толкова сходни, че астрономите били сигурни, че ставало дума за една и съща галактика. Но как е възможно това? Как може една и съща галактика да се появи два пъти в небето?

Двойният образ на една и съща галактика е напълно възможен, ако между вас и галактиката има нещо тежко (и невидимо). Това невидимо тежко петно може да изпълнява ролята на гигантска леща, която изкривява светлината от галактиката и я кара да изглежда сякаш идва от две посоки.

Представете си, че светлината струи от тази галактика във всички посоки. А сега си представете две светлинни частици, известни като фотони, които идват от тази галактика и са леко отклонени, така че са насочени към двете ви страни. Ако между вас и галактиката има нещо тежко, гравитацията на този обект ще изкриви пространството около него и ще причини закривяване на светлината от частиците в посока към вас.

На Земята вие виждате това през телескопа си като два образа на една и съща галактика, които идват от различни посоки в небето. Този ефект бил наблюдаван из цялото нощно небе; тази тежка и невидима материя явно била навсякъде. Скоро тъмната материя вече не била само една налудничава идея. Накъдето и да сме погледнели, сме откривали доказателства за съществуването ѝ.

  1. Сблъсъкът на галактики

Най-убедителното доказателство за тъмната материя дойде, когато наблюдавахме гигантски космически сблъсък на галактики. Два галактически купа са се сблъскали преди милиони години в едно епично събитие. Самия сблъсък сме пропуснали, но тъй като на светлината от него са нужни милиони години, за да ни достигне, можем да се облегнем и спокойно да наблюдаваме получените експлозии.

Когато двата галактически купа са връхлетели един върху друг, газът и прахът в тях са се сблъскали в зрелищна гледка: огромни експлозии и разкъсани гигантски облаци прах. Това е едно истинско пиршество на специалните ефекти. Ако ще е от помощ, представете си сблъсъка на два огромни купа балони с вода, запратени един към друг с шеметна скорост.

Астрономите обаче забелязали и нещо друго. Близо до мястото на сблъсъка имало два гигантски купа тъмна материя; разбира се, тя била невидима, но се наблюдавала непряко чрез измерване на изкривяването, което куповете причинявали на светлината от галактиките зад тях. Тези два купа от тъмна материя, изглежда, се движели по линията на сблъсъка, сякаш нищо не се било случило.

От всичко това астрономите си извадили следните заключения: налице били два галактически купа, всеки от които съдържащ както нормална материя (предимно газ, прах и малко звезди), така и тъмна материя. Когато двата купа се сблъскали, повечето нормална материя се сблъскала така, както се очаква от нормална материя. Но какво се случва, когато тъмна материя се сблъска с друга тъмна материя? Нищо, което бихме могли да регистрираме! Куповете тъмна материя просто продължили напред и минали един през друг – почти сякаш били невидими един за друг. Звездите също преминали, защото били разположени много нарядко.

Огромни кълба материя, по-големи от много галактики, преминали едно през друго. На практика сблъсъкът лишил тези галактики от газ и прах.