MEĐUNARODNI tim fizičara objavio je studiju iz koje proizlazi da su u jednom eksperimentu možda prvi put izravno vidjeli misterioznu tamnu energiju.
Danas već mnogi ljudi znaju za ideju da u našem svemiru, osim materije koju možemo vidjeti, vjerojatno postoje još i tamna tvar i tamna energija. Štoviše, prema teorijskim procjenama, vidljiva materija sačinjava tek oko 5% svemira, tamna materija oko 27%, a tamna energija oko 68%.
Zašto naziv "tamna"?
Tamna tvar i tamna energija zovu se tamnima jer su uglavnom još uvijek misteriozne i nevidljive za naše uređaje.
Primjerice, za razliku od normalne materije, tamna tvar ne stupa u interakciju s elektromagnetskom silom. To znači da ne apsorbira, ne reflektira ni emitira svjetlost, što je čini izuzetno teškom za uočavanje. Zapravo, istraživači su uspjeli otkriti postojanje tamne tvari samo na temelju gravitacijskog učinka koji, kako se čini, ima na vidljivu materiju. Naime, kada tamna tvar ne bi postojala, zvijezde koje rotiraju zajedno u galaksijama razletjele bi se po svemiru jer u galaksijama nema dovoljno vidljive tvari da bi ih gravitacija održala na okupu.
Slično vrijedi za tamnu energiju – i ona je otkrivena samo po neočekivanim efektima.
No, ako je vjerovati novom radu objavljenom u časopisu Physical Review D, čini se da je međunarodni tim znanstvenika prvi put uspio izravno zabilježiti signal tamne energije.
Odakle ideja o postojanju tamne energije?
Prema postojećem modelu svemir je nastao u velikom prasku. Na to, među ostalim, ukazuje činjenica da se i danas širi, što je 1920-ih otkrio Edwin Hubble. Međutim, prije 25 godina astrofizičari su teleskopom nazvanim po Hubbleu zabilježili da se to širenje ne usporava kako bi se očekivalo od gravitacije koja djeluje kao sila privlačnosti među masama. Naprotiv, njegova ekspanzija se ubrzava.
Ovo otkriće navelo je znanstvenike da pretpostave da u svemiru postoji neka misteriozna energija koja djeluje suprotno od gravitacije, a kako o njoj nisu znali praktički ništa i nisu je mogli mjeriti, nazvali su je tamna energija.
Istraživali tamnu tvar pa nabasali na tamnu energiju
U novom istraživanju posebno je zanimljivo to što su znanstvenici na tamnu energiju nabasali slučajno, tražeći tamnu tvar. Naime, tim koji je provodio eksperimente na detektoru tamne tvari XENON1T u Italiji otkrio je više neobjašnjivih rezultata koji bi mogli upućivati na kvante tamne energije proizvedene unutar magnetski jakog područja Sunca.
"Unatoč tome što su obje komponente nevidljive, svi znamo mnogo više o tamnoj materiji, budući da je njezino postojanje sugerirano još 1920-ih, dok tamna energija nije otkrivena sve do 1998", rekao je prvi autor rada dr. Sunny Vagnozzi.
Tim koji je pokušavao pronaći tamnu tvar prije godinu dana u svojim je mjerenjima naišao na neočekivani signal, odnosno na višak signala u odnosu na očekivani, koji se nije mogao objasniti djelovanjem tamne tvari.
"Ove vrste viškova često su slučajnost, no s vremena na vrijeme mogu dovesti i do temeljnih otkrića. Istražili smo model u kojem bi se ovaj signal mogao pripisati tamnoj energiji, a ne tamnoj tvari, za čije otkrivanje je eksperiment izvorno bio osmišljen", rekao je dr. Luca Visinelli, koautor rada s Frascati National Laboratories u Italiji.
Najpopularnije objašnjenje za ovo opažanje u to su vrijeme bili aksioni, hipotetske ekstremno lagane čestice za koje se smatra da se stvaraju unutar Sunca, iako je to bilo u suprotnosti s prethodnim opažanjima. Broj aksiona potrebnih za objašnjenje snage signala zabilježenog u XENON1T-u značajno bi promijenio postojeće modele evolucije zvijezda koje su mnogo masivnije od Sunca.
Vagnozzi i njegov tim stoga su konstruirali novi fizikalni model koji je trebao tražiti čestice nazvane kameleonima kako bi otkrili kakav bi se rezultat dobio u XENON1T-u ako se tamna energija proizvodi u tzv. tahoklini, posebnoj regiji na Suncu u kojoj su magnetska polja iznimno jaka.
"Bilo je stvarno iznenađujuće vidjeti da je taj višak u načelu mogao biti uzrokovan tamnom energijom, a ne tamnom tvari. Kad se stvari tako poklope, to je stvarno posebno", rekao je dr. Vagnozzi.
Hipotetske čestice pete sile - kameleoni
Kameleon je hipotetska čestica koja djeluje na vidljivu materiju slabije od gravitacije, a smatra se kandidatom za česticu, odnosno kvant tamne energije. U svijetu fizike čestice i sile su dvije strane istog novčića, pri čemu neke čestice djeluju kao "nosioci sile". Prema hipotezi, kameleon ima promjenjivu efektivnu masu koja raste s gustoćom energije okoline. Čestice kameleona nose kameleonsku silu, a kao njihovi imenjaci, životinje, te se čestice prilagođavaju svojoj okolini na takav način da ih je teško otkriti. Za razliku od životinja koje mijenjaju boju, čestice kameleoni mijenjaju masu.
Primjerice, usred Zemljine okoline velike gustoće, prema teoriji, kameleoni bi trebali poprimati veliku masu, a subatomske čestice velike mase teško je otkriti. Rezultat bi bio da bi peta temeljna sila prirode koju nose postala slaba i gotovo nemoguća za izmjeriti. No, u praznijem prostoru kameleonima se smanjuje masa. Temeljna sila koju oni predstavljaju bi se tako osjećala na većim udaljenostima (kao što se slaba gravitacija osjeća na velikim razdaljinama, a jaka nuklearna sila na vrlo malim, subatomskim) i mogla bi djelovati na kozmičkim razmjerima te utjecati na evoluciju svemira.
Neki znanstvenici misle da bi se kameleoni možda mogli hvatati u šupljim cilindrima jer bi im masa u kontaktu s njegovim stijenkama postala veća, pa bi se odbijali od njih i tako ostali zarobljeni u šupljini.
Nove mogućnosti za istraživanja
Iz novih eksperimentalnih opažanja, ako se potvrde, proizlazi da bi se eksperimenti poput XENON1T-a mogli koristiti za detekciju tamne energije, a ne samo tamne tvari.
"Prvo moramo znati da ovo nije bila samo slučajnost. Ako je XENON1T stvarno vidio nešto, očekivali biste da ćete ponovno vidjeti sličan višak u budućim eksperimentima (kao što su XENONnT, PandaX-4T i LUX-ZEPLIN), ali ovaj put s mnogo jačim signalom", rekao je Visinelli.
I tamna tvar i tamna energija dio su kozmološkog modela Lambda hladne tamne materije (LCDM), prema kojem je svemir ispunjen hladnim, sporo pokretnim česticama tamne tvari koje komuniciraju s normalnom materijom samo preko sile gravitacije. Budući da se one mogu zabilježiti samo promatranjem učinka na strukturu svemira velikih razmjera, smatra se da tamna tvar i tamna energija ne stupaju u interakciju s normalnom materijom preko ostale tri (od ukupno četiri) fundamentalne sile u svemiru koje za sada poznajemo - elektromagnetizma ili slabe ili jake nuklearne sile.
Međutim, prema nekim teorijama postoji određena razina interakcije tamne materije s vidljivom materijom, što znanstvenici aktivno testiraju. Tu je problem što na temelju rezultata istraživanja, astrofizičari i kozmolozi ne znaju kako bi se tamna energija mogla uklopiti u fizikalne zakone koji upravljaju svemirom. Za sada su kao moguća rješenja predložene modifikacije Einsteinove opće relativnosti, prisutnost nekog novog polja ili kozmološka konstanta.
"Iz tog razloga tamna je energija možda čak tajanstvenija od tamne tvari. Ipak, učinke tamne energije vidimo kroz brojna opažanja, počevši od temeljnog rada na supernovama 1A kao standardnim svijećama. Pod pretpostavkom da je tamna energija doista polje, kvanti povezani s njom bili bi iznimno lagani i nosili bi vrlo malo energije. To je razlog zašto je vrlo malo rada posvećeno ovakvim vrstama istraživanja", rekao je Visinelli za Universe Today.
U novoj studiji sudjelovali su znanstvenici s više uglednih institucija - Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge, National Institute of Nuclear Physics, Institute de Physique Theórique, i University of Hawaii.