SKUPINA hrvatskih znanstvenika sudjelovala je u višegodišnjim opažanjima čiji nedavno objavljeni rezultati predstavljaju važan korak u otkrivanju čestica od kojih bi se mogla sastojati hipotetska tamna tvar koja dominira svemirom.

Što je tamna tvar?

Tamna tvar je oblik materije koji ne stupa u interakciju sa svjetlošću ili drugim oblicima elektromagnetskog zračenja, što je čini izrazito teškom za izravno otkrivanje i proučavanje. Zbog toga se i naziva tamna tvar.

Na temelju opažanja strukture svemira i kretanja galaksija, procjenjuje se da ona čini oko 27% materije u svemiru, dok obična, vidljiva materija čini samo 5%. Preostalih 68% sastoji se od tamne energije, koja se smatra odgovornom za ubrzano širenje svemira.

Kako znamo da tamna tvar postoji?

Znamo da tamna tvar postoji zbog njezinog gravitacijskog djelovanja na vidljivu tvar u svemiru – na zvijezde, galaksije i jata galaksija.

Njezino postojanje prvi je predložio 1930-ih godina švicarski astronom Fritz Zwicky, koji je uočio da opažena masa skupova galaksija nije dovoljna da objasni gravitacijske sile koje ih drže na okupu. Tijekom desetljeća raznim mjerenjima i opažanjima prikupljene su brojne druge potvrde za postojanje tamne tvari. Među ostalim, to uključuje proučavanja strukture svemira velikih razmjera, rotacijskih brzina galaksija i temperaturnih fluktuacija u kozmičkom mikrovalnom pozadinskom zračenju, jeki velikog praska.

Ta su opažanja pokazala da se gravitacijski učinci tamne tvari mogu vidjeti na svim razinama svemira.

Fizičari pretpostavljaju da bi tamnu tvar mogle sačinjavati zasad neotkrivene čestice koje nisu opisane standardnim modelom čestica. Njihova identifikacija mogla bi otvoriti put prema dubljem razumijevanju tamne tvari, ali i prirode svijeta u cjelini. Dva glavna kandidata trenutno su hipotetske čestice WIMP-ovi i aksioni.

Potraga za njima traje već desetljećima, a provodi se na tri načina: u sudarima čestica u moćnim akceleratorima, u osjetljivim podzemnim eksperimentima te u opažanjima ogromnih teleskopa. Pretpostavlja se da su čestice tamne tvari puno masivnije od osnovnih građevnih blokova obične materije kakve nalazimo u atomskim jezgrama. One međudjeluju uglavnom gravitacijski te eventualno još i slabom silom.

Potraga za WIMP-ovima, česticama tamne tvari

U novom istraživanju međunarodni tim znanstvenika tražio je moguće znakove postojanja WIMP-ova u središtu naše galaksije. Očekuje se da bi koncentracija tamne tvari ondje trebala biti velika zbog jakih gravitacijskih sila. Inače se tamna tvar u velikim koncentracijama također očekuje u međugalaktičkom prostoru, raspoređena kao svojevrsni halo oko galaksija..

Voditelj hrvatskog tima Nikola Godinović, profesor na FESB-u u Splitu, kaže da bi WIMP-ovi trebali biti antičestice sami sebi.

"Kada se sudare s drugim WIMP-ovima, oni bi se mogli anihilirati u poznate čestice standardnog modela i gama-zrake. Teleskopi MAGIC tražili su signale anihilacije para WIMP-ova u dva fotona gama-zraka", kaže Godinović.

"Što je masa WIMP-ova veća, to će biti veća energija fotona koji nastaju anihilacijom njihovih parova. Teleskopi MAGIC u stanju su detektirati fotone čija je energija golema - od desetak GeV do 100 TeV. Stoga omogućuju potragu za WMIP-ovima čija bi masa mogla biti u područjima koja se ne mogu otkrivati ni detektorima na satelitima ni u najjačem akceleratoru LHC na CERN-u", tumači Godinović.

Kolaboracija MAGIC, u kojoj sudjeluje 15 znanstvenika iz hrvatskih institucija u Osijeku, Rijeci, Zagrebu i Splitu, tražila je signale gama-zraka sustavom dvaju teleskopa promjera 17 metara smještenih na kanarskom otoku La Palmi. Prikupljanje podataka, koje je ukupno trajalo 223 sata, odvijalo se od 2013. do 2020. godine.

Tu treba imati na umu da se promatranja odvijaju samo noću, da se središte Mliječnog puta ne vidi uvijek dobro iz pozicije Zemlje te da se isti teleskopi koriste i za druga znanstvena istraživanja.

Sustav MAGIC u istraživanju je tragao za pojačanim signalom gama-zraka u određenom pojasu visokih energija koji bi mogao biti potvrda anihilacije čestica tamne tvari. Naime, gama-zrake se stvaraju u različitim procesima kao što su eksplozije zvijezda. No ako u središtu Mliječnog puta dolazi do učestalih sudara WIMP-ova zbog velike koncentracije tamne tvari, u određenom spektru gama-zraka to bi se moralo prepoznati kao višak.

Budući da gama-zrake ne stižu do Zemlje, već se u sudarima s atomima i molekulama u atmosferi raspršuju u pljusak čestica i fotona manjih energija, znanstvenici su zapravo tragali za tzv. Čerenkovljevom svjetlošću. To su bljeskovi koji nastaju pri upadu gama-zraka čija je energija milijardu do bilijun puta veća od energije vidljive svjetlosti (teraelektronvolt, TeV).

Signal tamne tvari nije nađen, ali je potraga sužena

Opažanja, predstavljena u prestižnom časopisu Physical Review Letters, nažalost, nisu otkrila potpis neuhvatljive tamne materije. No rezultat je ipak važan jer je ograničio moguća svojstva čestica kandidata. Drugim riječima, sada kada se zna da se potpis WIMP-ova ne može pronaći u jednom pojasu energija, potraga se može usredotočiti na druge energije.

Metoda koja je korištena u ovom istraživanju primijenit će se ubuduće za još osjetljivija opažanja s teleskopima MAGIC te s novom generacijom eksperimenata u gama-području vrlo visokih energija, kao što su instrumenti LST (Large Size Telescope) iz postava CTA (Cherenkov Telescope Array), koji se trenutno gradi u blizini teleskopa MAGIC.

Godinović kaže da će CTA biti još osjetljiviji te da će biti u stanju detektirati gama-zrake energije do 300 TeV.

"To će omogućiti potragu za WMIP-ovima na još većim energijama. Pritom će za opažanja iste razine osjetljivosti koju je dostigao MAGIC trebati desetak puta manje vremena", tumači Godinović.

Talijanska znanstvenica preselila se u Rijeku

U istraživanjima je, među ostalima, sudjelovala i talijanska znanstvenica Marina Manganaro, docentica na Sveučilištu u Rijeci. Ona trenutno djeluje kao koordinatorica "outreach" aktivnosti teleskopa MAGIC te koordinatorica projekta "Diversity, Equity, and Inclusion".

Zanimalo nas je kako se odlučila s obitelji preseliti u Rijeku na projekt MAGIC.

"U Hrvatsku sam došla na mjesto docentice koje je otvoreno na Sveučilištu u Rijeci u grupi MAGIC koju vodi prof. Dijana Dominis Prester. Već smo surađivale u MAGIC-u pa sam znala da je to odlična prilika", kaže Manganaro i pritom ističe da su joj hrvatski kolege pružili nevjerojatnu podršku.

Zanimalo nas je i kako izgleda jedan dan promatranja na MAGIC-ovim teleskopima.

"To je jednostavno nevjerojatno! Teleskopi MAGIC nalaze se u zvjezdarnici Roque de los Muchachos. Na vrhu Roquea nebo je nevjerojatno čisto i zvjezdano. Čak i kad ima puno posla oko izvođenja operacija, isplati se već zbog samog pogleda!" kaže Manganaro.