Priroda tamne tvari je jedna od najvećih zagonetki suvremene znanosti uopće, posebice čestične fizike i astrofizike.  Zapravo, ta je zagonetka među najčvršćim sponama koje povezuje te dvije znanstvene discipline. Pretpostavljamo da tamna tvar (eng. dark matter) postoji stoga što primijećujemo gravitacijsko djelovanje nečega nevidljivog, ali višestruko masivnijeg od „normalne“ tvari, od kakve su sazdane zvijezde, planeti i mi sami. To se djelovanje opaža u velikim prostornim razmjerima, u galaktikama ili, pak, cijelim galaktičkim jatima. Primjerice, prve ozbiljne naznake da u svemiru postoji ranije neopažena masa, dobivene su promatranjem vrtnje spiralnih galaktika. Da je u njima sva masa sadržana u onome što vidimo – zvijezdama, plinu i prašini - ti bi se diskovima slični zvjezdani gradovi trebali vrtjeti na određeni način, uvjetovan zakonom gravitacije. Ali to je kružno gibanje u galaktika bitno drukčije od očekivanog i to što je viđeno, najlakše bi bilo protumačiti postojanjem velike mase koja zauzima prostor i daleko izvan zvjezdanog diska, no koja je svejedno i sama najviše koncentrirana u jezgri galaktike. Ta dodatna tvar bi trebala imati neobično svojstvo da s normalnom tvari, a i sama sa sobom, ne međudjeluje elektromagnetskim putem. To znači da ona ne stvara svjetlost, niti je odražava – ukratko, ta je tvar nevidljiva, tamna! Ona ipak posjeduje masu i „proizvodi“ gravitacijsku silu. (Teorijski modeli ukazuju na to da bi tamna tvar trebala međudjelovati s običnom tvari i slabom nuklearnom silom, ali ne i jakom.)

Problem vrtnje galaktika nije jedino što u modernoj astrofizici snažno ukazuje na postojanje tamne tvari. Precizno mjerenje tzv. pozadinskog mikrovalnog zračenja i naknadna analiza dobivenih podataka, pokazali su da tamne tvari treba biti barem pet puta više negoli obične, nama svima bliske i lako uočljive! Ne čudi stoga što (astro)fizičari nastoje dokučiti kakva je priroda te zagonetne mase. Nekoliko možebitnih tumačenja koja su se pojavila ubrzo po identifikaciji problema, već je odbačeno na temelju rezultata promatranja. Jedna od tih radnih hipoteza, bila je, tako, i ona prema kojoj tamna tvar nije osobito egzotična, već je riječ o zbijenim objektima od obične tvari, kojih ima veliko mnoštvo u haloima oko galaktičkih diskova, no koji ne proizvode vlastito svjetlo i koji ga vrlo slabo odražavaju. Takvi objekti, poput izdvojenih neutronskih zvijezda ili crnih jama, mogli bi ostajati nezapaženima fotografskim pretraživanjima neba, a ipak stvarati značajnu gravitacijsku silu.  Ali ta bi sila isto tako i svijala svjetlost dalekih izvora poput kvazara, „pojačavajući“ je onako kako to čini i leća od stakla. Taj učinak je predvidjela Einsteinova opća teorija relativnosti, a nazivamo ga gravitacijskom lećom. Zbijeni objekti u halou naše galaktike bi trebali stvarati mnoštvo takvih leća (točnije, mikroleća) i njihov utjecaj na svjetlost pozadinskih izvora bi dosad bio itekako opažen. Više opsežnih pretraživanja neba pokazalo je da su takve gravitacijske mikroleće – a time i objekti od obične tvari u halou Mliječnog Puta – izuzetno rijetke i da tamna tvar ne može biti protumačena na taj način.

U ovom trenutku se čini da bi se tamna tvar najvjerojatnije mogla javljati u obliku neke vrste (ili više vrsta) subatomskih čestica razmjerno velike mase, na koje elektromagnetizam nema utjecaja i koje osim silom težom međudjeluju još jedino slabom nuklearnom silom. Engleska kratica za neku takvu hipotetsku česticu je WIMP („weakly interacting massive particle“), što bi doslovno značilo „slabić“ ili „mlakonja“. Ali ti slabići zasad s uspjehom izmiču svakom opažanju, ne samo u svemiru, već i u laboratorijskim uvjetima ovdje na Zemlji. Najveći nedostatak WIMP-ova kao objašnjenja za prirodu tamne tvari, jest to da nam nije poznato postoje li oni uopće! Teorijski (tj. matematički) modeli pokazuju da bi mogli i trebali postojati, i to u više varijanti, ali to zasad još nema eksperimentalne potvrde. No, kako se čini, fizičari su u ovom trenutku na pragu kontroliranog generiranja i detekcije prvih takvih čestica, i to pomoću Velikog sudarača hadrona (eng. krat. LHC), čuvenog CERN-ovog ubrzivača čestica. LHC je u ovom času najmoćniji instrument od svoje vrste u svijetu. Ako do toga otkrića WIMP-ova uistinu dođe, to još uvijek neće značiti da je tamna tvar sazdana od njih, ali će ono astrofizičarima pokazati put koji trebaju slijediti da bi hipotezu provjerili promatranjima neba. Bez takvih smjernica, koje mogu doći i iz manje očekivanih područja istraživanja, ne bi bilo moguće dovoljno usredotočiti astronomsko istraživanje da ono da suvisle rezultate.

Da je taj proces dvosmjeran, pokazuju netom objavljeni rezultati jednog opsežnog istraživanja obavljenog NASA-inim Svemirskim teleskopom Hubble i Rendgenskim opservatorijem Chandrom. Zahvaljući njima, opseg mogućih svojstava čestica tamne tvari je značajno sužen, čime je uklonjeno puno nepoznanica i što će čestičnim fizičarima pomoći da izgrade preciznije teorijske modele i lakše provedu njihove eksperimentalne provjere. Spomenuto istraživanje bilo je usmjereno na ukupno 72 poprišta sudara galaktičkih jata. Ti siloviti procesi su ponajbolje što nam stoji na raspolaganju želimo li doznati više o prirodi tamne tvari, budući se u njima tri glavne komponente galaktičkih jata – galaktike, plin među njima i tamna tvar – ponašaju na različite načine. Sudari jata privremeno rastave te tri komponente i astronomi ih mogu razlučiti jednu od druge. No, to nipošto nije lako. Galaktike je najlakše uočiti: one se lijepo vide na običnim fotografijama, snimanima u vidljivom ili infracrvenom svjetlu. Teleskop Hubble je „kao stvoren“ za tu svrhu. Hubble, međutim, nije u stanju primijetiti međugalaktički plin, u kojem je sadržana većina mase vidljive tvari. Toga plina ima puno više negoli zvijezda! Tu uskače Chandra, teleskop za rendgenski dio elektromagnetskog spektra. Chandra lako opaža plin, jer je ovaj usijan do temperatura od više milijuna stupnjava. Gibanje galaktika kroz taj izuzetno razrijeđeni medij  - u svakodnevnom smislu, riječ je o vakuumu, s vrlo malim sadržajem vodika i s još manje helija i drugih tvari - ubrzava čestice od kojih se on sastoji do visokih energija. Gubeći na ovaj ili onaj način ponešto od te energije, čestice proizvode upravo rendgenske zrake opazive Chandrom.

Dakle, s galaktikama i plinom među njima je lako. Ali kako vidjeti gdje je tamna tvar? Tu opet na scenu stupa Hubble koji u jatima na slikama vidi i gravitacijske leće koje svijaju i pojačavaju svjetlost iz pozadinskih izvora, poput još udaljenijih galaktika. Kako će projekcije tih dalekih izvora izgledati, ovisi o razdiobi mase u jatu koje služi kao leća. Još jednom, pokazuje se da masa vidljive tvari nije dovoljna da opravda ono što vidimo na nebu, u ovom slučaju djelovanje gravitacijskih leća. Kada se od toga ukupnog djelovanja oduzme ono što se može pripisati masi galaktika i plina, ono što preostane je utjecaj tamne tvari. A on je značajan! Pomna analiza gravitacijskih leća stvorenih jatima u sudaru, daje, dakle, i razdiobu tamne tvari u tim jatima. Na priloženim slikama je ta tamna tvar prikazana kao plavi difuzni oblak nanesen preko Hubbleovih optičkih slika galaktičkih jata. Chandrin vrući plin među galaktikama je, pak, obojen grimiznom bojom. Kako su sudari i stapanja jata galaktika vrlo spori procesi, koji mogu potrajati i milijarde godina, za nas je svaka takva pojava tek jedna sličica u dugom kozmičkom filmu. Mi nismo u mogućnosti ispratiti cijeli jedan sudar i vidjeti što se pri tom događa sa svakom do triju glavnih komponenti jata. Srećom, to ni ne trebamo činiti, budući se takvi sudari zbivaju na nebu kamo god da pogledamo. Vidimo ih u različitim razvojnim fazama, od prvih dodira rubnih galaktika, do praktično potpune stopljenosti već međusobno prožetih jata. Vidimo ih, usto, i pod različitim kutovima, što sve omogućuje da steknemo potpuniji uvid u njihovu dinamiku.

Kako su galaktike prilično zbijene, bilo je za očekivati da će prilikom sudara dvaju jata one samo proletjeti poprištem, tek malo usporene međusobnim gravitacijskim privlačenjem. Slično tome, bilo je očekivano da će raspršeni plin pokazati puno veći otpor prožimanju, izazvan trenjem. Plin dvaju jata bi se morao zbog toga zaustaviti nasred poprišta u obliku jednog velikog oblaka. Ta dva očekivanja su u potpunosti ispunjena! I galaktike i međugalaktički plin ponašaju se prema predviđanju. S tamnom tvari stvari stoje bitno drukčije. Od nje je bilo očekivano da će osjetiti otpor znatno veći od onog kojeg ćute galaktike, premda ne toliko izražen kao u slučaju plina. Naime, iako tamna tvar ne međudjeluje trenjem s običnom tvari, bilo je pretpostavljeno da bi čestice koje je tvore mogle u određenoj i opazivoj mjeri međusobno djelovati trenjem ili nečim sličnim toj sili. Hubble nam pokazuje da tamna tvar slijedi galaktike, ne usporavajući se značajno otporom kojega bi sama stvarala! Potraga za česticama tamne tvari mora se sada usredotočiti na WIMP-ove koji imaju upravo to svojstvo da ne stvaraju bilo kakvo značajnije trenje.

Srednja slika je kompozit sastavljen od Hubbleovih fotografija šest poprišta sudara galaktičkih jata, mapâ razdiobe tamošnje tamne tvari i Chandrinih rendgenskih slika vrućeg plina. (Velika slika) Donja slika prikazuje samo prve dvije komponente: galaktike i tamnu tvar. (Velika slika) Slika na vrhu članka je detalj jedne od Hubbleovih fotografija, na kojoj se zorno vidi djelovanje gravitacijske leće. Daleke galaktike su izobličene i razvučene u brojne lukove centrirane na središte jata, onako kako bi bile i da ih gledamo kroz neku staklenu leću.

http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2015/10/

Fotografije: NASA, ESA, STScI i CXC.