შავი მატერია და შავი ენერგია
შავი მატერია და შავი ენერგია
კოსმოსური სივრცის 80% წარმოდგენილია იმ ნივთიერებით, რომელიც დამკვირვებლისთვის უხილავია. საუბარია შავ მატერიაზე – ნივთიერება, რომელიც არ წარმოქმნის ენერგიას და შუქს. როგორ მიხვდნენ მკვლევარები რომ ის დომინირებს?
1950-იან წლებში მეცნიერებმა აქტიურად დაიწყეს სხვა გალაქტიკების შესწავლა. ანალიზების დროს მათ შეამჩნიეს, რომ სამყარო გავსებულია დიდი რაოდენობის მასალით, რისი დანახვაც მხოლოდ „ხილულად“ შეიძლება. შავი მატერიის მიმდევრების რიცხვი ყოველდღე იზრდებოდა, თუმცა მისი არსებობის პირდაპირი მტკიცებულებები არ არსებობდა, მაგრამ თეორიები მატულობდა, ისევე როგორც დაკვირვების ახალ-ახალი მეთოდები.
ჩვენთვის ხილულ მასალას ბარიონულ მატერიას უწოდებენ. ის წარმოდგენილია პროტონებით, ნეიტრონებითა და ელექტრონებით. ვარაუდობენ, რომ შავ მატერიას შეუძლია შეითავსოს ბარიონული და არაბარიონული მატერიები. იმისთვის, რომ სამყარო ჩვეულ მთლიანობაში რჩებოდეს, შავი მატერია ვალდებულია მის 80%-ს შეადგენდეს.
ეს ნივთიერება შეიძლება გასაოცრად ძნელი იყოს საძებრად, თუკი ის ბარიონულ ნივთიერებას შეიცავს.
სამეცნიერო წრის დიდი ნაწილი ვარაუდობს, რომ უცნობი ნივთიერება ძირითადად წარმოდგენილია როგორც არაბარიონული მატერია. ყველაზე პოპულარული კანდიდატია WIMPS (სუსტად ურთიერთმოქმედი მასიური ნაწილაკები), რომლის მასა 10-100-ჯერ აღემატება პროტონის მაჩვენებლებს. მაგრამ მათი ურთიერთქმედება ჩვეულებრივ მატერიასთან ზედმეტად სუსტია, რის გამოც მათი პოვნა რთულია.
ამჟამად დიდი ყურადღებით განიხილავენ ნეიტრალინოს – მასიური ჰიპოთეტური ნაწილაკები, რომლებიც მასით ნეიტრინოს აღემატებიან, მაგრამ განსხვავდებიან ნელი სიჩქარით. ისინი ჯერ ვერ იპოვეს. სავარაუდო ვარიანტებად ასევე ითვალისწინებენ ნეიტრალურ აქსიომასა და შეუხებელ ფოტონებს. კიდევ ერთი ვარიანტი – მოძველებული ცოდნა გრავიტაციის შესახებ, რომელიც განახლებას საჭიროებს.
უხილავის დამტკიცება
მაგრამ თუ ჩვენ რაიმეს ვერ ვხედავთ, როგორ დავამტკიცოთ რომ ის არსებობს?
მსხვილი ობიექტების მასა გამოითვლება მათი სივრცეში გადაადგილების მიხედვით. 50-იან წლებში მკვლევარები, რომლებიც სპირალური ტიპის გალაქტიკებს აკვირდებოდნენ, ვარაუდობდნენ რომ ცენტრთან მიახლოებული ნივთიერება უფრო სწრაფად იმოძრავებს ვიდრე ცენტრიდან დაშორებული. მაგრამ გაირკვა, რომ ვარსკვლავები გადაადგილდებოდნენ ერთნაირი სიჩქარით, რაც იმას ნიშნავს რომ არსებობდა უფრო დიდი მასები, ვიდრე აქამდე ეგონათ. გამოკვლეულმა გაზმა, რომელიც ელიფსური ტიპის გალაქტიკებში არსებობს, იგივე შედეგები აჩვენა. აქედან ერთი დასკვნა გამომდინარეობდა: თუ ორიენტირება ხდება მხოლოდ ხილულ მასაზე, მაშინ გალაქტიკური გროვები დიდი ხნის წინ განადგურდებოდა.
ალბერტ აინშტაინმა შეძლო იმის დამტკიცება, რომ სამყაროში არსებულ მსხვილ ობიექტებს შეუძლიათ სინათლის გარდატეხა და გამრუდება. ამან შესაძლებელი გახადა მათი გამოყენება გამადიდებელი ლინზის სახით. ამ პროცესის გამოკვლევისას მეცნიერებმა შეძლეს შავი მატერიის რუქის შექმნა. გამოდის რომ ჩვენი სამყაროს უდიდესი ნაწილი წარმოდგენილია ჯერ კიდევ უხილავი ნივთიერებით.
შავი მატერია და შავი ენერგია
მატერიაზე თუ ვისაუბრებთ, პროცენტული შეფარდებით შავი მატერია უდავოდ ლიდირებს. მაგრამ ზოგადად ის მხოლოდ ყველაფრის მეოთხედს იკავებს.
დიდი აფეთქების მომენტიდან სივრცემ გაფართოების პროცესი წარმოშვა, რაც დღესაც გრძელდება. მკვლევარები ვარაუდობდნენ, რომ დროთა განმავლობაში დაწყებითი ენერგია დამთავრდება და თავის სვლას შეანელებს. მაგრამ შორეული ზეახლები (ზეახალი – ახლად დაბადებული ვარსკვლავი) აჩვენებენ რომ სივრცე არ ჩერდება, პირიქით, სიჩქარეს ავითარებს. ეს ყველაფერი მხოლოდ იმ შემთხვევაშია შესაძლებელი, თუ ენერგიის რაოდენობა იმდენად დიდია, რომ გრავიტაციული ზემოქმედების გადალახვა შეუძლია.
თავსატეხის განმარტება
ჩვენ ვიცით რომ სამყაროს უდიდესი ნაწილი წარმოდგენილია შავი ენერგიით. ეს არის იდუმალი ძალა, რომელსაც იქამდე მივყავართ, რომ სივრცე გაფართოების სიჩქარეს მეტად ავითარებს. კიდევ ერთი იდუმალი კომპონენტი შავი მატერიაა, რომელიც ობიექტებთან მხოლოდ გრავიტაციის ძალით ურთიერთქმედებს.
მეცნიერებს არ შეუძლიათ შავი მატერიის დანახვა პირდაპირი დაკვირვებით, მაგრამ მათი ეფექტები ღიაა შესასწავლად. მეცნიერებს შეუძლიათ სინათლის დაჭერა, რომელიც უხილავი ობიექტების მიზიდულობის ძალით იმრუდება (გრავიტაციული ლინზირება). ასევე ისინი ამჩნევენ მომენტებს, როდესაც ვარსკვლავი გალაქტიკის გარშემო იმაზე უფრო სწრაფად ასრულებს ბრუნვას, ვიდრე უნდა ასრულებდეს.
ეს ყველაფერი იხსნება უხილავი ნივთიერების უდიდესი რაოდენობით, რომელიც მასაზე და სიჩქარეზე ზემოქმედებს. სინამდვილეში, ეს ნივთიერება საიდუმლოებითაა მოცული. გამოდის რომ მკვლევარებს შეუძლიათ თქვან არა თუ „რა“ არის მათ წინაშე, არამედ თუ რას არ წარმოადგენს „ის“.
შავი მატერია… შავია. ის არ წარმოქმნის სინათლეს და პირდაპირი დაკვირვებისას არ ჩანს. შესაბამისად, გამოირიცხება ვარსკვლავები და პლანეტები.
ის არ იკვეთება ჩვეულებრივი მატერიის ღრუბლის სახით (ასეთ ნაწილაკებს ბარიონებს უწოდებენ). თუ ბარიონები იქნებოდნენ შავ მატერიაში, მაშინ ის პირდაპირი დაკვირვებისას გამოჩნდებოდა.
ასევე გამოირიცხება შავი ხვრელები, რადგანაც ისინი წარმოჩნდებიან გრავიტაციული ლინზების სახით, რომლებიც სინათლეს ასხივებენ. მეცნიერები ვერ აკვირდებიან საკმარისი რაოდენობის ლინზირების მოვლენებს იმისთვის რომ გამოთვალონ შავი მატერიის ის მოცულობა, რომელიც უნდა არსებობდეს.
თუმცა სამყარო უდიდესი ადგილია, სადაც ყველაფერი უწვრილესი სტრუქტურებიდან დაიწყო. ვარაუდობენ, რომ შავმა მატერიამ კონდენსაცია დაიწყო, იმისთვის რომ ნორმალურ მატერიასთან შესაერთებელი „სამშენებლო ბლოკები“ შეექმნა, შემდეგ უკვე პირველი გალაქტიკებისა და გროვების შესაქმნელად.
შავი მატერიის მოსაძიებლად მეცნიერები სხვადასხვა მეთოდს იყენებენ:
დიდი ადრონული კოლაიდერი.
ინტრუმენტები, WNAP და პლანკის კოსმოსური ობსერვატორიის სახით.
პირდაპირი დაკვირვების ცდებს: ArDM, CDMS, Zeplin, XENON, WARP.
ირიბი აღმოჩენა: გამა-სხივების (ფერმი) დეტექტორები, ნეიტრინული ტელესკოპები (IceCube), ანტინივთიერების დეტექტორები (PAMELA), რენტგენული და რადიომიმღებები.
ვუღრმავდებით იდუმალებას
მეცნიერებმა ჯერ ვერცერთხელ ვერ შეძლეს პირდაპირი მნიშვნელობით დაენახათ შავი მატერია, იმის გამო რომ ის არ ურთიერთქმედებს ბარიონულთან, ეს იმას ნიშნავს რომ ის სინათლისთვის და ელექტრომაგნიტური გამოსხივების სხვა სახეობებისთვის უხილავი რჩება. მაგრამ მკვლევარები დარწმუნებულები არიან მის არსებობაში, რადგან აკვირდებიან გალაქტიკებზე და გროვებზე ზემოქმედებას.
სტანდარტული ფიზიკა ამბობს, რომ ვარსკვლავები, რომლებიც განლაგებულნი არიან სპირალური ტიპის გალაქტიკების კიდეებზე, უნდა ანელებდნენ სიჩქარეს. მაგრამ ჩნდებიან ისეთი ვარსკვლავები, რომელთა სიჩქარე არ ექვემდებარება ცენტრთან ახლოს განლაგების პრინციპს. ამის ახსნა მხოლოდ იმით შეიძლება, რომ ვარსკვლავები გრძნობენ უხილავი შავი მატერიის ზემოქმედებას გალაქტიკის გარშემო.
შავი მატერიის არსებობას ასევე შეუძლია გაშიფროს რამოდენიმე ილუზია, რომელსაც სამყაროს სიღრმეში ვაკვირდებით. მაგალითად, გალაქტიკებში უცნაური ბეჭდებისა და სინათლის რკალების არსებობა. ანუ შორეული გალაქტიკების სინათლე გარდატყდება და უხილავი შავი მატერიის ფენის მეშვეობით უფრო მეტად იკვეთება (გრავიტაციული ლინზირება).
ჯერჯერობით ჩვენ გაგვაჩნია იდეები იმასთან დაკავშირებით, თუ რას წარმოადგენს შავი მატერია. მთავარი აზრი – ეგზოტიკური ნაწილაკებია, რომლებიც არ ურთიერთქმედებენ ჩვეულებრივ მატერიასთან და სინათლესთან, მაგრამ გააჩნიათ ძალა გრავიტაციის სახით. ამჟამად რამდენიმე ჯგუფი (ერთნი დიდ ადრონულ კოლაიდერს იყენებენ) მუშაობს შავი მატერიის ნაწილაკების შექმნაზე, იმისთვის რომ ლაბორატორიულ პირობებში მათი გამოკვლევა მოხდეს.
სხვები ფიქრობენ, რომ ზემოქმედება შეიძლება აიხსნას გრავიტაციული თეორიის ფუნდამენტალური მოდიფიკაციით. მაშინ მივიღებთ გრავიტაციის რამდენიმე ფორმას, რაც ძირეულად განსხვავდება ფიზიკის დადგენილი კანონების ჩვეული სურათისგან.
გაფართოებადი სამყარო
შავ მატერიასთან დაკავშირებული სიტუაცია კიდევ უფრო დამაბნეველია და 1990-იან წლებში გაკეთებული აღმოჩენა მოულოდნელი გახდა. ფიზიკოსები ყოველთვის ფიქრობდნენ, რომ მიზიდულობის ძალა მოქმედებს შენელების მიხედვით და ერთხელაც შეიძლება შეაჩეროს სამყაროს გაფართოების პროცესი. სიჩქარის გაზომვას ორი ჯგუფი შეუდგა და ორივემ, გასაკვირად, აჩქარება აღმოაჩინეს. ეს ჰგავს ვაშლის მაღლა სროლას, როდესაც ელოდებით რომ ის დაბლა ჩამოვარდება, ის კი უფრო და უფრო მაღლა მიიწევს.
გასაგები გახდა, რომ აჩქარებაზე რაღაც ძალა მოქმედებს. ამასთანავე, ჩანს რომ რაც უფრო ფართოა სამყარო, მით უფრო მეტ „ძალაუფლებას“ იღებს ეს ძალა. მეცნიერებმა გადაწყვიტეს ის შავი ენერგიით აღენიშნათ.
თუ შავი მატერიის რაიმენაირად ახსნა შეიძლება, შავი ენერგიის შესახებ საერთოდ არაფერი მოიპოვება. ზოგიერთი კი ვარაუდობს, რომ ეს მეხუთე ფუნდამენტალური ძალაა – კვინტესენცია.
თუმცა შავი მატერიის მახასიათებლები თანხვედრაშია ალბერტ აინშტაინის მიერ ფარდობითობის ზოგად თეორიაში შექმნილ კოსმოლოგიურ კონსტანტასთან. კონსტანტა წარმოადგენს უკუქმედ ძალას, რომელიც ეწინააღმდეგება გრავიტაციას და ინარჩუნებს სივრცეს განადგურებისგან. მოგვიანებით აინშტაინმა მასზე უარი თქვა, რადგან დაკვირვებებმა სამყაროს გაფართოების პროცესი დაადგინა (კოსტანტა გათვლილი იყო სტატიკურ სამყაროზე).
თუ ახლა დავამატებთ შავ მატერიას კონსტანტას სახით სამყაროს ასაჩქარებლად, შეიძლება აიხსნას ეს პროცესი, მაგრამ ეს ყველაფერი მაინც არ გვაძლევს იმის გაგებას, თუ საერთოდ რატომ არსებობს ეს უცნაური ძალა.