kozmos.hr
Jeste li znali?

Što je tamna tvar, a što tamna energija?

Karta tamne tvari
objavljeno

Nama je vidljivo samo 5% sastava svemira, a sve ostalo sačinjavaju tamna tvar (27%) i tamna energija (68%).

Kad je 1920-ih prvi put uočeno i matematički dokazano da se svemir širi i kad je kasnije formuliran zakon tog širenja koji zovemo Hubbleovim zakonom, smatrali smo da širenje svemira usporava. Drugim riječima, mislili smo da se ista gravitacija koja drži na okupu zvijezde i galaksije suprotstavlja i širenju svemira. Ipak, 1990-ih shvatili smo da smo bili u krivu–širenje svemira ne usporava nego ubrzava! Postavlja se pitanje zašto je tako, odnosno koji je točno izvor tog širenja, a odgovor se krije u nečemu što zovemo tamnom energijom.

Tamna energija

No reći da je tamna energija “odgovor” na pitanje širenja svemira možda je ipak malo prenaglo. Naime, još uvijek ne znamo o kakvoj se energiji radi, već samo znamo da ona postoji i da ona omogućava širenje svemira. Zbog toga što ju ne vidimo, odlučili smo ju nazvati “tamnom”.

Razlog zašto smo tek krajem 1990-ih shvatili da se širenje svemira ubrzava je taj što smo onda prvi put uperili teleskop Hubble u najdalje krajeve svemira i vidjeli svjetlost s najstarijih galaksija, tj. galaksija koje su prve nastale nakon Velikog praska. Nakon toga smo iz tih opservacija zaključili da se svemir prije više milijardi godina širio sporije nego to čini sada.

širenje svemira
NASA-in grafički prikaz širenja svemira kroz vrijeme. Izvor: NASA.

Bez obzira na to što ne znamo što je tamna energija, svejedno imamo nekoliko teorija o tome što bi ona mogla biti. Jednu od njih predložio je i sam Einstein kad je rekao da se radi o inherentnom svojstvu prostora, odnosno da “prazan prostor” uvijek ima svoju energiju. Zbog toga, nastavlja Einstein, širenjem svemira i nastankom sve veće količine prostora u njemu dolazi do sve većeg nakupljanja tamne energije, zbog čega se pak širenje ubrzava. Druga zanimljiva teorija dolazi iz kvantne mehanike i kaže da se, opet, u “praznom prostoru” stalno formiraju virtualne čestice, odnosno čestice koje iznimno brzo nastaju i potom odmah nestaju, te da takve reakcije daju energiju za širenje prostora. Isto tako, možda se radi o svojevrsnom fluidu ili energetskom polju koje ima utjecaj suprotan od onog koji imaju tvar i normalna energija, te taj hipotetski oblik tamne energije nazivamo “kvintesencijom”. Činjenica je da za sada jednostavno ne znamo što od toga, ako išta, je točno.

Tamna tvar

Ono oko čega smo ipak malo sigurniji kada pričamo o kozmologiji i velikoj dinamici svemira je tamna tvar. Opet, kao i s energijom, “tamna” je zato jer ju ne vidimo, tj. nema interakcije između nje i elektromagnetskog zračenja, uključujući svjetlost. No za razliku od tamne energije, tamna tvar ima potpuno suprotan učinak–ona gravitacijski djeluje na vidljivu tvar, pa je prema nekim astronomima možda prikladniji naziv za nju “tamna gravitacija”, posebno zato što se ne radi o tvari u tradicionalnom smislu riječi. Točnije, što god tamna tvar bila, ona nije barionskog tipa, odnosno nije stvorena od čestica koje dozvoljava standardni model čestične fizike.

Ne znamo što je ona, no teorija tamne tvari potrebna nam je da bi objasnili nekoliko fenomena u svemiru. Na prvom je mjestu ponašanje galaksija, uključujući i našu Mliječnu stazu. Kad smo otkrili postojanje galaksija, prva nam je pretpostavka bila da se one ponašaju isto kao i zvjezdani sustavi, samo na puno većoj skali: isto kao što se planeti zbog Sunčeve gravitacije kreću u krug oko njega, tako se i zvjezdani sustavi kreću kroz galaksiju zbog velike mase u njezinom centru. Tom logikom, prateći Keplerove zakone, na vanjskim rubovima galaksije gdje je utjecaj gravitacije slabiji kretanje bi trebalo biti puno sporije, a tamo gdje je njen utjecaj jači, bliže centru galaksije, kretanje bi trebalo biti brže. Danas znamo da je ta pretpostavka pogrešna–brzina kretanja sustava po galaksiji ne ovisi o udaljenosti od njenog centra, već se sve regije galaksije vrte oko njenog centra skoro pa jednako brzo. Zaključak je taj da očito postoji neki drugi, nevidljivi izvor gravitacije koji to uzrokuje–tamna tvar. Zapravo, 90% tvari prosječne galaksije je nevidljivo, kao što je 1970-ih uočila Vera Rubin.

Karta tamne tvari
Računalno generirana “karta” tamne tvari u svemiru stvorena promatrajući područja na kojima se savija svjetlost pozadinskih galaksija. Svjetle točke predstavljaju područja na kojima se svjetlost jače savijala zbog veće prisutnosti tamne tvari. Tom “kartom” pokriveno je 25% našeg neba. Izvor: NASA.

Slično, kad je 1933. švicarski astronom Fritz Zwicky mjerio mase galaksija u skupu galaksija Coma, primijetio je da su dobivene brojke puno veće nego što je očekivao–u njima se nalazi više mase nego što je to moguće ako uzimamo u obzir samo tvar koju vidimo. Takav zaključak o masama galaksija kasnije smo dodatno potvrdili uočavanjem efekta leće po kojem galaksije svojom gravitacijom savijaju pozadinsku svjetlost. Točnije, kao jedan od dokaza postojanja tamne tvari uzima se opservacija skupa Metak iz 2004. pomoću teleskopa Chandra, koja je pokazala da je svjetlost najjače savijena u djelu skupa u kojem se ne nalazi konkretan (vidljiv) izvor gravitacije.

Na posljetku, tamna tvar igra relativno veliku ulogu u teoriji Velikog praska. Jednom kad su se u ranom svemiru formirale osnovne čestice, pa nakon toga i atomi i molekule, oni su se u jednom trenutku morali početi skupljati dovoljno da se formiraju prve zvjezdane maglice, da se u njima digne visoka temperatura i rode prve zvijezde. U principu to nije trebalo biti moguće, jer u trenu kad su se formirali prvi elementi svemir se već podosta bio raširio i gravitacija pojedinačnih čestica nije mogla biti dovoljna za takav proces nakupljanja. Morao je postojati neki drugi izvor gravitacije koji je nakupio te čestice u svojevrsne gravitacijske “bazene” i omogućio daljnje interakcije između njih. Radi se, opet pretpostavljamo, o tamnoj tvari.

bullet cluster
Kompozitna slika skupa galaksija Metak. Crvenkasta područja predstavljaju vidljivu tvar, a plava područja tamnu tvar. Izvor: X-ray: NASA/CXC/CfA/ M.Markevitch et al.

Kraj svemira

Tamna energija i tamna tvar na neki su način, dakle, suparnici. Zadnjih otprilike 9 milijardi godina energija prevladava i širenje svemira ubrzava, no to nije uvije bio skučaj. Kroz prvih 5 milijardi godina svemir je još uvijek bio dovoljno kompaktan da je gravitacija uzrokovna vidljivom i tamnom tvari uspijevala nadvladati tamnu energiju i širenje svemira bilo je privremeno usporeno.

U tom balansu između gravitacije i ekspanzije svemira krije se i budućnost svemira. Kako sada stvari stoje, postoje dvije mogućnosti. Ako je zaliha tamne energije ograničena, tj. ako se svemir prestane širiti u jednom trenutku, gravitacija će opet nadvladati i svemir će se opet skupiti kroz proces tzv. velikog sažimanja, nakon čega će se pak potencijalno opet početi širiti kroz tzv. veliko odbijanje. Druga je opcija da je zaliha tamne energije beskonačna ili da se zbog širenja prostora ona čak možda i povećava. U tom slučaju, u jednom trenutku doći će do tzv. velikog trganja: ne samo da će širenje početi nadvladavati gravitaciju između galaksija, već će se sustavi početi trgati iz galaksija, planeti iz sustava, a na kraju će biti i nadvladane sile između pojedinačnih čestica. Ako do toga dođe, to će se desiti za oko 22 milijarde godina.

U svakom slučaju, nalazimo se na apsolutnim granicama našeg razumijevanja svemira i fizike.

 


Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram

t.me/kozmoshr


Izvori:

„Dark Energy“. Hubblesite, 2019. https://hubblesite.org/contents/articles/dark-energy (26.7.2022.).

„Dark Energy, Dark Matter“. NASA Science. https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy (26.7.2022.).

„tamna energija“. Hrvatska enciklopedija, 2021. https://enciklopedija.hr/natuknica.aspx?ID=60337 (26.7.2022.).

„tamna tvar“. Hrvatska enciklopedija, 2021. https://enciklopedija.hr/natuknica.aspx?ID=60339 (26.7.2022.).

Zaljubljenik u astronomiju od malih nogu. Diplomirani anglist. U slobodno vrijeme vjerojatno s frendovima u obližnjem kafiću. U paralelnom svemiru sam nešto od sljedećeg: pomorac, avanturist, fizičar, astronaut, pisac, željezničar.