A sötét anyag egy titokzatos, nem fénylő anyag, amely a világegyetem anyagának túlnyomó többségét alkotja. Bár a szakértők már évtizedek óta megfigyelték a sötét anyag gravitációs hatásait, a tudósok továbbra is tanácstalanok a valódi természetét illetően.

Ki fedezte fel a sötét anyagot?

A 19. század végén a csillagászok elkezdtek spekulálni az univerzumban szétszóródott láthatatlan anyagról – akár halvány csillagokról, akár gázról és porról. A kutatók még a tömegét is elkezdték megbecsülni – olvasható a Reviews of Modern Physics című folyóiratban 2018-ban megjelent áttekintésben. A legtöbben úgy gondolták, hogy ez a titokzatos anyag a kozmosz teljes tömegének egy kisebb összetevője.

Csak 1933-ban vette észre Fritz Zwicky svájci-amerikai csillagász, hogy távoli galaxisok sokkal gyorsabban forognak egymás körül, mint ahogy az a távcsövekben látható anyaguk alapján lehetséges lenne. “Ha ez beigazolódna, azt a meglepő eredményt kapnánk, hogy a sötét anyag sokkal nagyobb mennyiségben van jelen, mint a fényes anyag” – írta a Helvetica Physica Acta folyóiratban abban az évben megjelent tanulmányában.

A szakmában azonban sokan szkeptikusak maradtak Zwicky eredményeivel kapcsolatban egészen az 1970-es évekig, amikor Kent Ford és Vera Rubin csillagászok részletes vizsgálatokat végeztek a szomszédos Androméda-galaxis külső régióiban lévő csillagokról. Ezek a csillagok túlságosan gyorsan keringtek a galaktikus mag körül, mintha valami láthatatlan anyag gravitációsan rángatta és tolta volna őket – ezt a megfigyelést a tudósok hamarosan az egész világegyetem galaxisaiban észrevették.

A kutatóknak fogalmuk sem volt, miből állhatott ez a láthatatlan tömeg, és néhány csillagász azt találgatta, hogy a sötét anyagot kis fekete lyukak vagy más kompakt objektumok alkotják, amelyek túl kevés fényt bocsátanak ki ahhoz, hogy a távcsövekben látszódjanak. Az eredmények még furcsábbak lettek az 1990-es években, amikor a Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) nevű űrteleszkóp kimutatta, hogy ez a sötét anyag a NASA szerint öt az egyhez arányban meghaladja a közönséges látható anyagot.

Miért marad rejtély a sötét anyag

A távcsöves felmérések soha nem voltak képesek elég kis kompakt objektumot találni ahhoz, hogy az anyagnak ezt a hatalmas mennyiségét meg lehessen magyarázni. A legtöbb mai csillagász úgy gondolja, hogy a sötét anyag valószínűleg olyan szubatomi részecskékből áll, amelyek tulajdonságai meglehetősen különböznek az ismertebb protonoktól és neutronoktól.

A sötét anyag uralkodó jelöltjét Gyengén Kölcsönható Tömeges Részecskének vagy WIMP-nek nevezik. Ezek a spekulatív entitások nem szerepelnek a részecskefizika Standard Modelljében, amely szinte minden részecskét és erőt leír. A WIMP-k inkább a kísértetszerű neutrínóhoz hasonlítanának, csakhogy a súlyuk 10-100-szor nagyobb lenne, mint egy protoné. (A neutrínók pontos tömege ismeretlen, de sokkal könnyebbek az elektronoknál).

A neutrínókhoz hasonlóan a WIMP-ek is csak kettővel lépnének kölcsönhatásba a világegyetem négy alapvető ereje közül: A gravitációval és a nukleáris gyenge erővel, amely a radioaktív atommagok bomlását közvetíti. Ezek a sötét anyag részecskék elektromosan semlegesek lennének, ami azt jelenti, hogy nem lépnének kölcsönhatásba az elektromágnesességgel, a fény alapjával, és ezért láthatatlanok maradnának.

A fizikusok hatalmas detektorokat építettek, és mélyen a föld alá helyezték őket, hogy megvédjék őket a zavaró kozmikus sugárzástól a WIMP-ek kimutatására tett erőfeszítéseik során, de eddig egyetlen kísérletben sem találtak bizonyítékot rájuk. Az elmúlt években ez a kudarc arra késztetett egyeseket a szakmában, hogy azon tűnődjenek, vajon nem egy vad részecske-vadászatba kezdtek-e, amelynek nincs igazi vége.

Néhány tudós ezért egy újabb sötét anyagjelölt, az axion felé fordítja figyelmét, amely az elektron tömegének milliomod, sőt milliárdod részecskéje lenne – írja a Proceedings of the National Academy of Science. Ezek a hipotetikus részecskék azért különösen vonzóak a kutatók számára, mert a fizika egy másik megoldatlan problémáját is megoldhatnák: potenciálisan a neutronokkal kölcsönhatásba lépve magyarázatot adhatnának arra, hogy azok miért érzik a mágneses tereket, de az elektromosakat nem.

2020 júniusában az olaszországi Gran Sasso Nemzeti Laboratóriumban működő XENON1T kísérlet tagjai – egy eredetileg a WIMP-ek befogásának kipróbálására épített detektor – bejelentették, hogy egy kis, de váratlan jelet találtak, amelyet axionok jelenlétével lehet magyarázni. Az eredmények sokkolták a tudományos közösséget, de más kísérletek még nem erősítették meg őket.

Létezik egyáltalán a sötét anyag?

Ez azt jelenti, hogy a kutatók még mindig vakargatják a fejüket, hogy mi is az a sötét anyag. Egyes teoretikusok azon tűnődnek, hogy létezik-e az univerzumnak egy egész sötét szektora, több részecskével és még sötét erőkkel is, amelyek csak a sötét anyagra hatnak, hasonlóan a látható kozmoszban látható szubatomi összetettséghez.

A tudósok egy kisebbsége ugyanakkor úgy véli, hogy a sötét anyag egy délibáb. Ők a tehetetlenség módosított változata vagy MOND néven ismert elképzelést vallják, amely azt feltételezi, hogy nagy léptékben a gravitáció a várttól eltérően hat, és ez magyarázza a csillagok és galaxisok megfigyelt forgását. A legtöbb szakértő azonban nincs meggyőződve arról, hogy szükség van az ismert fizikától való ilyen radikális eltérésre, ami a valóság nagy részének megértéséhez is módosításokat igényelne.

A sötét anyag senki tudomása szerint nincs kapcsolatban a sötét energiával, egy másik rejtélyes jelenséggel, amely a kozmosz tágulásának felgyorsításáért felelős. A kettőnek egyszerűen közös a “sötét” szó, amelyet a tudósok gyakran használnak helykitöltőként olyan dolgokra, amelyeket nem teljesen értenek.