A modern csillagászat egyik legnagyobb problémája a sötét anyag rejtélye: valami, ami tömeggel rendelkezik, jelen van szinte minden galaxisban, ám mi mégsem látjuk. Gravitációja révén azonban felmérhető az eloszlása és mennyisége is. Ez utóbbi teszi igazán jelentőssé a rejtélyt: sötét anyagból ugyanis jóval több van az Univerzumban, mint világító – márpedig utóbbi kategóriába beletartozik minden asztrofizikai objektum (csillagok, gáz- és porfelhők, bolygók, tehát ténylegesen MINDEN), amit közvetlenül meg tudunk figyelni. Magyarán, az Univerzum nagyobbik részének természetéről vajmi kevés fogalmunk van.
A sötét anyag kutatásának története a ’70-es évek végén kezdődött, amikor a washingtoni Carnegie Institution két kutatója, Vera Rubin és Kent Ford a galaxisok rotációját kezdte el tüzetesebben vizsgálni. Egy-egy csillag mozgását sok tényező befolyásolhatja, de nagyobb mennyiségű anyagnak a galaxis centruma körüli mozgását mindössze kettő: a centrumtól mért távolság és a tömeg eloszlása határozza meg. Ugyanezt tapasztalhatjuk meg sokkal kisebb léptékben a Naprendszerben is, ahol az eloszlás rendkívül centralizált, hiszen a tömeg 99,9%-a a központi csillagunkban található. Ilyen esetekben a Kepler-törvények határozzák meg a mozgást, amelynek értelmében a keringési sebesség kifelé folyamatosan csökken.
Egy galaxis külső régióinak megfigyelése hasonló eredményre kellett hogy vezessen, hiszen jól láthatóan a csillag- és gázanyag koncentrációja is erősen csökken kifelé. Csakhogy Rubinék mérése teljesen más képet mutatott: eszerint a galaxisok jelentős része merev testként, vagyis állandó rotációs sebességgel mozog. Ez pedig az alapvető fizikai ismeretek értelmében nem jelenthet mást, mint hogy a galaxisok külső régiójában óriási mennyiségű, még a központi régiót is meghaladó anyagmennyiség van jelen – mi mégsem látjuk.
Megszületett a sötét anyag koncepciója, amelyet valójában még Robert Zwicky vetett fel először 1933-ban. Ő a számos galaxisból álló Coma halmaz tagjainak mozgása alapján feltételezte, hogy a gravitációt szolgáltató tömeg közel 400-szor nagyobb a megfigyeléseken alapuló becsléseknél. Feltevése a ’Dunkle Materie’-ről mégsem lett a tudományos konszenzus része, mivel módszere számos feltevésre alapult – mint kiderült, pusztán túlbecsülte a sötét anyag arányát, de alapvetően igaza volt.
A Vera Rubin vezette kutatás a galaxisok rotációját illetően kétséget kizáróan bizonyította Zwicky felvetését. Ráadásul a láthatatlan anyagmennyiség létezését és eloszlását azóta több különböző közvetett módszer is igazolta, mint például a galaxisok gravitációs lencsehatása vagy a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás egyenetlenségei. A sötét anyag tehát biztosan létezik, ráadásul elképesztő mennyiségben. A galaxishalmazok tömegbecsléséből és kozmológiai modellekből egybevágó kép rajzolódik ki, miszerint az elektromágneses sugárzást kibocsájtó (=világító) anyag összessége a teljes Univerzum kevesebb mint 5%-át teszi ki, míg a rejtélyes sötét anyag 23%-ot!
(A maradék cirka 73%-ot pedig a még rejtélyesebb sötét energia alkotja – ez azonban már egy másik írás témája lesz.)
A létezése, mennyisége és eloszlása tehát igen jól ismert, ugyanakkor a sötét anyag megjelenési formájával kapcsolatban egyelőre csak találgatni tudunk. Nem mintha ne lenne ötlet bőséggel, ám közvetlen mérések híján ezen elméletek többsége nehezen tesztelhető.
A sötét anyag természetét magyarázó elméletek alapvetően két nagy csoportba sorolhatóak. A sok kicsi sokra megy elve alapján elképzelhető, hogy a galaxisok külső, ún. halo része valóságos részecsketengerben „úszik”, ám ezek nem, vagy csak rendkívül minimális mértékben hatnak kölcsön környezetükkel. Ezek a misztikus részecskék lehetnek akár az általunk jól ismert neutrínók, de akár az anyag eddig számunkra ismeretlen formája is alkothatja a hiányzó tömeget. Ezen utóbbiak az ún. WIMP-ek (Weakly Interacting Massive Particle), vagyis a gyengén kölcsönható nagy tömegű részecskék, amelyek megtalálása és tanulmányozása többek között a CERN részecskegyorsítójának is egyik fő prioritását képezi.
Lehetséges ugyanakkor, hogy a sötét anyag ugyanolyan barionikus anyagból épül fel, akárcsak a csillagok, bolygók vagy a gázfelhők, sőt, ezek akár makroszkopikus formában is előfordulhatnak. Ehhez rengeteg nagy tömegű és kompakt objektumnak, vagy az angol betűszó szerint MaCHO-nak (Massive Compact Halo Object) kellene tanyáznia a galaxisok külső részében, amelyek nem termelnek energiát, és a hőmérsékletük is rendkívül alacsony, ezáltal nem mutatnak detektálható sugárzást. Amennyiben valóban rengeteg hideg szikla, bolygó, barna és vörös törpe rejtőzködne a mi Galaxisunkban, azt az infravörös tartományon működő vagy gravitációs lencsézésekre vadászó égboltfelmérő programok már jó eséllyel kimutatták volna. Hacsak a MaCHO-k nem a méretükhöz képest rendkívül nagy tömeggel bíró objektumok, amelyek ténylegesen semmiféle sugárzást nem bocsájtanak ki – vagyis fekete lyukak.
Manapság már csak nagy tömegű csillagok halála után keletkezhetnek új (makroszkopikus) fekete lyukak. A kozmológiai modellek azonban egyáltalán nem zárják ki azt a feltevést, hogy a fiatal (és ezáltal rendkívül sűrű) Univerzumban tömegesen keletkeztek önnön gravitációjuk miatt összeomlott objektumok. Ezek az ún. primordiális fekete lyukak, amelyek kisebb-nagyobb méretben mind a mai napig jelen vannak. Ha közvetlen környezetükben nincs semmi, ami keringene körülöttük, úgy jelen technológiánkkal gyakorlatilag lehetetlen felfedezni ezeket a távoli fekete lyukakat.
A nem túl távoli jövőben azonban ez is megváltozhat. 2035-re tervezik a LISA misszió indítását, amely egy, a gravitációs hullámok detektálására alkalmas interferométer lesz. Különlegességét a mérési zajtól mentes környezet, valamint a két és fél millió km-es „karhossz” jelenti (ezen távolság aprócska megváltozása révén lehet tetten érni a gravitációs hullámokat – a földi detektoroknál ez mindössze 3 km), amelyek elképesztő érzékenységet biztosítanak a mérésekhez – lehetővé téve akár egy önmagában kószáló fekete lyuk kimérését is. Vagy akár milliárdnyiét, ha bebizonyosodna, hogy a galaktikus halóban valóban MaCHO-k rejtőzködnek.
Bár a sötét anyag koncentrációja és domináns hatása a galaxisok külső régiójában érezteti hatását, elviekben akár a szűkebb környezetünkben is közvetlenül tesztelhetnénk ezeket az elméleteket. Egy közelmúltban bemutatott tanulmány abból a feltevésből indult ki, hogy ha a láthatatlan tömeg valójában egy WIMP-ekből álló részecsketenger, akkor abból a Naprendszerünkbe is kellett hogy jusson. Ebben az esetben pedig akármilyen kicsi is a gravitációs ereje, egy űreszköz mozgását befolyásolni fogja. Amennyiben egy direkt erre a célra fejlesztett űreszköz távolságát lézeres mérések révén rendkívül precízen meg tudjuk határozni, akkor előbb-utóbb eltérés fog mutatkozni annak előzetesen kalkulált és valódi pozíciója között. Igaz, nem sok: a sötét anyag galaktikus eloszlása és annak gravitációs potenciálja alapján egy 100 csillagászati egységre (100 x 150 millió km-re) eljutó űrszonda esetében a távolság mindössze 1,5 méterrel fog különbözni.
De ez már megoldható.
Ha tetszett a bejegyzés, látogass el a Csillagvizsgáló Facebook oldalára is, ahol napi rendszerességgel találhatsz csillagászati és űrkutatási híreket, látványos felvételeket és egyéb aktualitásokat – tudományról és science fictionről egyaránt.