Temna snov in temna energija v vesolju

    Če zasledite v časopisih ali na televiziji, da so se astronomi in fiziki sešli na znanstveni konferenci, na kateri obravnavajo vprašanje obstoja temne snovi in temne energije v vesolju, se ne ustrašite. Ne gre za črno magijo ali kako »mejno« znanost. S teorijami o temni snovi in temni energiji se danes ukvarjajo najuglednejši znanstveniki. Prav tako ne gre za čudno posebnost kake obrobne hipoteze, ki bi zanimala le peščico strokovnjakov. Zadnje astronomske meritve namreč kažejo, da je v vesolju običajne snovi v obliki atomov, iz katere smo zgrajeni mi sami, pa tudi planeti in zvezde, le za 4 odstotke. Veliko večino našega vesolja zelo verjetno zapolnjuje neobičajna temna snov, o kateri danes še ne vemo prav veliko.

    Temni časi za znanstvenice

    Dolgo časa je med astronomi veljajo prepričanje, da lahko s teleskopi opazujejo večino tega, kar zapolnjuje vesolje. Menili so, da predstavljajo galaksije, zvezde, meglice, planeti in druga nebesna telesa, ki jih lahko neposredno vidijo, vse kar je pomembnega v vesolju. Ena prvih znanstvenic, ki je zamajala to stoletja splošno sprejeto mnenje, je bila Američanka Vera Rubin. Čeprav so bile njene ugotovitve sredi prejšnjega stoletja na začetku sprejete z dokajšnjo skepso, jo danes v vseh učbenikih astronomije obravnavajo kot pionirko raziskav temne snovi v vesolju.

    Vendar Vera Rubin ni orala ledine le na področju raziskav temne snovi. Leta 1965 je postala prva ženska, ki so ji dovolili samostojno delo na takrat največjem astronomskem observatoriju na gori Palomar v ZDA. (Pred njo je na Palomarju nebo opazovala sicer že Margaret Burbidge, a je morala za dovoljenje zaprositi pod moževim imenom, ki je bil tudi astronom.) O odnosu do žensk v znanosti kmalu po drugi svetovni vojni, pove veliko tudi tale danes težko razumljiv dogodek. Ko je Vera na inštitutu obiskala svojega mentorja na doktorskem študiju, sta se morala pogovarjati kar v avli, saj ženskam vstop v pisarne takrat ni bil dovoljen.

    Tehtanje galaksij

    Vera Rubin je temno snov odkrila s pomočjo astronomskih meritev, ki bi jim lahko preprosto rekli kar tehtanje galaksij. Merila je hitrost gibanja zvezd v spiralnih galaksijah, kakšna je tudi naša Rimska cesta. Ugotovila je, da se gibljejo zvezde na robu galaksij bistveno hitreje, kot napovedujejo izračuni. Vsi smo že kdaj prali perilo v pralnem stroju. Vemo, da bo perilo bolj ožeto, če centrifugo nastavimo na večjo hitrost. Boben pomivalnega stroja preprečuje, da bi perilo zaradi hitrega vrtenja odneslo iz stroja, omogoča pa, da skozi luknje v bobnu odteka voda. Hitreje kot se boben vrti, več vode odteče in bolj suho je perilo.

    Do podobnega pojava pride tudi v galaksijah. Hitreje kot zvezda kroži okoli središča galaksije, večja mora biti privlačna sila, ki jo vleče k središču in ji preprečuje, da bi jo odneslo stran. Vera Rubin je z natančnim opazovanjem zvezd izmerila, da krožijo hitreje, kot je pričakovala. Če uporabimo našo prispodobo pralnega stroja, bi lahko rekli, da je presenečena ugotovila, da je centrifuga galaksij naravnana na velike obrate, hkrati pa je perilo še zmeraj mokro. Zvezde ostajajo v galaksiji, čeprav je hitrost vrtenja tako velika, da bi jih moralo odnesti stran. Kako to pojasniti?

    Lahko predpostavimo, da je gravitacijski zakon, ki določa silo, ki zvezde vleče k središču galaksije, na tako velikih razdaljah malo drugačen. A to ni prepričljiva razlaga, saj je gravitacijski zakon eden od temeljnih zakonov fizike in bi za njegovo spremembo potrebovali zares tehtne razloge. Po drugi razlagi, ki se je je oprijela tudi Vera Rubin, h gravitacijskem privlaku galaksije ne prispevajo samo zvezde, ki jih lahko vidimo. Izračunala je, da mora biti v galaksijah, približno desetkrat več snovi, kot jo lahko vidimo, da lahko pojasni, zakaj zvezd ne odnese stran. Tej dodatni snovi, ki je vir gravitacijske sile, ne oddaja pa svetlobe, pravijo temna snov. Če bi bila v galaksiji samo »vidna snov« iz kakršne so narejene zvezde, bi zvezde na robu galaksije krožile veliko počasneje. Ker pa se v galaksiji skriva še veliko temne snovi, ki ne oddaja svetlobe, vseeno pa gravitacijsko privlači zvezde, lahko zvezde na robu galaksije krožijo zelo hitro.

    Tehtanje galaktičnih gruč

    Fritz Zwicky

    Podobno kot lahko z opazovanjem gibanja zvezd v galaksijah ocenimo, koliko temne snovi se skriva v galaksiji, lahko z opazovanjem medsebojnega gibanja galaksij ocenimo, koliko temne snovi je v gruči galaksij. Opazovanja galaktičnih gruč se je že pred drugo svetovno vojno lotil astronom Fritz Zwicky in prišel do tako presenetljivih ugotovitev, da mu ni nihče verjel. Podobno kot Vera Rubin nekaj desetletij kasneje za galaksije, je Zwicky za galaktične gruče izmeril, da lahko njihovo gibanje pojasni le, če predpostavi, da se v njih poleg vidne snovi nahaja še zelo veliko temne snovi, ki je s teleskopi ne opazimo. A je bila večina takratnih astronomov prepričanih, da se je Zwicky nekje pri izračunih ali pri meritvah zmotil.

    O Zwickyu kroži mnogo anekdot. Večina sodelavcev ga opisuje kot zelo ekscentrično osebnost. Znan je bil po zelo ostrem besednjaku. Kolegom astronomom na observatoriju Mount Wilson je recimo pravil »sferični prasci« (spherical bastards). Zakaj sferični? Ker so bili po njegovem sferično simetrični – enako veliki prasci so se mu zdeli, ne glede na to, s katere strani jih je gledal. Kot kaže pa so njegov grobi besednjak sodelavci tolerirali, saj ni bilo nič nenavadnega, če ga je žena, ko so prišli kolegi na večerjo, poklicala k vratom z besedami: »Fritz, prasci so prišli!«

    Danes imajo astronomi na voljo boljše instrumente in metode, kot jih je imel Zwicky, tako da lahko natančneje opazujejo galaksije in analizirajo njihovo gibanje. Ocenjujejo, da predstavlja snov, ki jo lahko v galaktični gruči vidimo, le kako desetino celotne mase gruče. A presenečenj tu še ni konec. Kljub temu, da so astronomi ugotovili, da je v galaksijah zares desetkrat več mase, kot bi lahko ocenili zgolj na podlagi tega, kar lahko vidimo, mase vidne in temne snovi skupaj še zmeraj ni toliko, kot jo napovedujejo kozmologi, ko na različne načine tehtajo celotno vesolje. Celotno vesolje je po ocenah kozmologov približno trikrat težje, kot je masa temne in svetle snovi v njem.

    Tehtanje vesolja

    Če vam nekdo reče, da poskuša stehtati vesolje, se mu boste verjetno le nasmehnili. Kako lahko tehta vesolje, če iz vesolja ne moremo izstopiti in ga postaviti na tehtnico? A astronomi so iznajdljivi. Zelo veliko podatkov o vesolju kot celoti lahko dobijo s skrbnim opazovanjem najstarejše svetlobe, ki se širi po vesolju že od časov kmalu po velikem poku. Ta svetloba, ki je na poti že skoraj 14 milijard let, je najpomembnejši vir informacij o zelo mladem vesolju. Če naravnate svoj televizijski aparat na kanal, kjer ni programa, boste na ekranu opazili znano sneženje. Del tega sneženja povzroča prav najstarejša svetloba, ki prihaja na Zemljo z vseh koncev vesolja. Z natančno analizo te svetlobe lahko astronomi določijo veliko lastnosti vesolja, med drugim ga lahko tudi stehtajo. Odmevne analize najstarejše svetlobe v vesolju sta naredila tudi Anže Slosar s Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani in Uroš Seljak z Univerze v Princetonu, ki je veliko ime sodobne eksperimentalne kozmologije.

    Pred nekaj leti so uspeli s pomočjo opazovanja eksplozij oddaljenih zvezd izmeriti tudi, da se vesolje ne le napihuje, ampak se napihuje celo vedno hitreje. To je bila presenetljiva ugotovitev, saj so vsi pričakovali, da se napihovanje upočasnjuje, ker gravitacija snovi v vesolju deluje kot sila, ki zavira napihovanje. Kje neki vesolje jemlje energijo, za pospešeno napihovanje?

    Vzroka pospešenega napihovanja vesolja astronomi tudi danes še ne poznajo. Vedo pa, da je za to potrebna ogromna energija, ki ji so jo po vzoru temne snovi poimenovali kar temna energija. Če zares obstaja, je to najbolj razširjena oblika energije v vesolju, in ravno zapolnjuje razkorak med težo celotnega vesolja na eni strani in težo svetle in temne snovi na drugi strani. Po zadnjih ocenah, je v vesolju nam domače običajne snovi, ki je sestavljena iz atomov, le za 4 odstotke, temna snov predstavlja 23 odstotkov, skrivnostna temna energija pa kar 73 odstotkov vesolja.