KTU fizikas Vytautas Stankus apie tamsiąją materiją: manau, kad žmonijai pavyks įveikti šią mįslę

Viena dar iki galo neįminta fizikos mįslė – tamsioji materija. KTU Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto Fizikos katedros docentas dr. V. Stankus atskleidžia jos mastus, kaip tai susiję su naujų žvaigždžių susidarymu ir rudosiomis nykštukėmis.

KTU mokslininko teigimu, jam labiau patinka terminas nematoma, nei juodoji materija, mat net juodi objektai yra matomi, jei jie kažką užstoja. Tamsioji materija (angl. dark matter) yra fiksuojama tik dėl neatitikimo tarp stebimų rezultatų ir gravitacijos dėsnių.

– Mokslininkų teigimu, planetos, žvaigždės ir kiti dangaus kūnai sudaro vos 10 procentų visos galaktikos masės, likusi erdvė užpildyta juodąja materija, kurios mokslininkams nepavyksta ištirti iki šiol. Kaip manote, ar mums, t. y. žmonijai, pavyks įminti šią didžiąją paslaptį ir atsakyti į daugelį Visatos atsiradimo, tarp jų ir juodosios materijos atsiradimo ir jos gyvavimo klausimų?

– Šiaip tai viskas atrodo paprasta – paskaičiuojame orbitas, įvertindami žvaigždžių mases, įvertiname, kiek yra jų galaktikoje ir teoriškai nustatome jų orbitinius greičius. Deja, jie neatitinka realių. Kad žvaigždės taip judėtų, galaktikos masė turi būti bent 5,5 kartų didesnė, kitaip jos turėtų palikti galaktiką, buitiškai tariant, išsilakstytų.

Yra ir kitų įrodymų – tai galaktikų ir superspiečių gravitacinių lęšių įtaka šviesos sklidimui, galaktikų gravitacinis poveikis kitoms, net modeliuojant superspiečių klasterizacijos efektą neapsieinama be kelis kartus didesnės, nei regima masė. Šiuo metu nustatyta, kad tamsioji materija sudaro 26,8 % Visatos sudėties. Ši situacija moksle yra vadinama šiuolaikine kosmologine krize, neįminta mįsle.

Hipotezių yra daug, bet jos yra tik hipotezės. Teoriškai galima prognozuoti egzotiškų subatominių dalelių egzistavimą, kurios susiformavo Didžiojo sprogimo metu. Tokios dalelės turėtų pasižymėti tik dviem sąveikų tipais (iš keturių) – silpnąją ir gravitacine. Yra klaidingas įsivaizdavimas, kad tamsioji materija yra kažkur kosmose. Ne, ji tarp mūsų, aplink mus, jos milijardai dalelių turėtų skrosti kiekvieną mūsų kūno kvadratinį centimetrą per sekundę. Ir niekas kol kas neaptiko, kas tai yra.

Pafantazuojant galima prieiti ir prie išvados, kad gal jos pasižymi ir kitokiais, mums nežinomais sąveikų tipais. O jei taip yra, gal jos gali sudaryti ir struktūras, t. y. atomus, molekules, kūnus, gal net kitokios formos gyvybę, kuri mums yra nematoma, nejaučiama ir neaptinkama prietaisais?

Kita, dar didesnė problema ta, kad visata, pagal skaičiavimus, dėl gravitacijos traukos, sukeltos matomos ir nematomos materijos, turėtų pradėti trauktis. Bet ji ne tik nesitraukia, o plečiasi ir plečiasi greitėjančiai. Ta paslaptinga jėga ar slėgis, esantis vakuume, verčiantis plėstis Visatą su pagreičiu, vadinama tamsiąją energija. Apie ją mokslas dar mažiau žino. Aš manau, kad žmonijai pavyks įveikti šias mįsles. Atsiminkime, kad prieš 150 metų visiems elektromagnetinės bangos taip pat buvo „dark matter“.

–2022 m. pradžioje spaudoje pasirodė pranešimų, kad Žemės kosminėje kaimynystėje, vos už 4 tūkst. šviesmečių, užfiksuoti keisti radijo bangų skleidžiami signalai. Jų skleidžiamos radijo bangos neatitinka nė vieno iki šiol žinomo astronominio objekto. Gal tai ir gali būti naujos žvaigždės gimimas? Kaip manote?

– Tokių objektų, spinduliuojančių periodines radijo ir kitas elektromagnetines bangas visatoje, yra apstu – dažniausiai tai yra mirštančių ir mirusių žvaigždžių liekanos. Žvaigždės mirties liekana būna trijų tipų: baltoji nykštukė, pulsaras arba juodoji bedugnė. Pastaroji neturi magnetinio lauko, todėl nespinduliuoja periodiškai.

Dar būna magnetarų (pulsarų rūšis, turinti ypatingai stiprų magnetinį lauką), barsterių ir kt. Bet jei kalbame apie radijo bangas – turime pulsarų (ar magnetarų) atvejį. Pulsaras yra mirusios žvaigždės liekana, kurios skersmuo gali būti Kauno dydžio, o jo masė artima Saulės masei.

Medžiagos tankis yra toks, kad arbatinis šaukštelis tokios medžiagos prilygsta Everesto kalno masei. Jei pulsaro paviršiuje metro aukštyje paleistumėte tą šaukštelį, jis nukristų ant paviršiaus 1200 km/s greičiu. Tokie objektai turi milžinišką magnetinį lauką, kurio polių ašis dažnai nesutampa su sukimosi ašimi. Jie labai greitai sukasi – nuo kelių apsukų iki kelių šimtų per sekundę.

Pagal fizikos dėsnius – toks kintamas magnetinis laukas generuoja elektromagnetines bangas, kurių dažnis sutampa su sukimosi dažniu. Anomalijos gali formuotis ir dėl kitų priežasčių – dažnai pulsarai būna poromis – tai dvinarių žvaigždžių (o tokių Visatoje yra apie 50 %) mirties liekanos.

Nemažai žvaigždžių yra ir trinarės ar keturnarės ir jos miršta ne vienodu laiku, kartais pasitaiko ir vadinamas užtemdymo atvejis – dar nemirusi žvaigždė užstoja kitos spinduliavimą. Žvaigždės kai gimsta, nespinduliuoja radijo bangų. Pradžioje – infraraudoną, o kai gimsta ir regimą, ir ultravioletinę, ir kitas. Jeigu šiuo atveju klausimas apie fiksuojamus periodinius signalus – tai greičiausiai juos skleidžia  mirštanti, bet ne gimstanti žvaigždė.

– Kitaip tariant, žvaigždės, baigdamos savo egzistenciją, skleidžia atsisveikinimo garsus savo kaimynėms žvaigždėms… Spaudoje teko skaityti apie praeito amžiaus devintajame dešimtmetyje atrastas rudąsias nykštukes. Įdomu yra tai, kad iki šiol vyksta mokslinės diskusijos, kam jas priskirti – planetoms ar žvaigždėms. Ką manote jūs, kaip gamtos mokslų mokslininkas, šiuo klausimu?

– Rudųjų nykštukių fizika yra žinoma – tai dujų kamuoliai, kurių masė yra per maža, kad centre užsižiebtų termobranduolinės vandenilio virtimo į helį reakcijos. Žvaigždžių formavimas prasideda dideliam plazmos telkiniui traukiantis dėl gravitacijos jėgų.

Didėjant slėgiui centre, didėja ir temperatūra. Kai ji pasiekia 10 mln. laipsnių, užsižiebia termobranduolinės vandenilis-helis virtimo reakcijos, kurių metu išsiskiria didelis energijos kiekis, jis stabilizuoja žvaigždę, dėl padidėjusio vidinio slėgio atsverdamas gravitacijos jėgas. Nusistovi vadinama hidrostatinė pusiausvyra. Reakcijų užsižiebimo laikas priklauso nuo pradinio plazmos telkinio masės ir trunka nuo 10000 iki 100 mln. metų.

Dažnai daug žvaigždžių užsižiebia dideliame regione. Tuose regionuose yra skirtingas plazmos tankis. Kartais susidaro tokie telkiniai, kurių pradinės masės nepakanka pasiekti reikiamai temperatūrai. Tiesa, kai kuriose rudosiose nykštukėse stebimos deuterio formavimosi reakcijos, bet jų temperatūra per maža normaliai žvaigždei susiformuoti. Todėl jos yra blausios, o spalva yra artima tamsiai raudonai ar tamsiai purpurinei.

Astronomai linkę rudąsias nykštukes vadinti tarpiniais objektais tarp planetų ir žvaigždžių. Jų masė turi būti mažesnė nei 0,075 Saulės masės, bet tai yra 75 kartus daugiau, nei Jupiterio masė. Kiti dar vadina jas nepavykusiomis žvaigždėmis. Ar galima vadinti jas planetomis? Na, jei rudoji nykštukė nesisuka apie masyvią žvaigždę, o yra pavienis objektas – tikrai ne. Tačiau, jei jos masė yra artima tai ribai apie kurią kalbėjau, arba dar mažesnė ir ji sukasi apie masyvią žvaigždę, gal ir galima būtų ją priskirti prie planetos.

Prisiminkime, kad Jupiteris, Saturnas, Uranas ir Neptūnas taip pat yra dujų milžinai, tiesa, turintys skystą ir kietą branduolį. Bet kaip ir minėjau – yra dvinarių, trinarių žvaigždžių, kurių lengvesni nariai nepriskiriami prie planetų. Gal vis dėlto tiktų kriterijus dėl termobranduolinių reakcijų egzistavimo jų centre. Taigi Visatoje yra dar daug reiškinių, saugančių labai daug neįmintų mįslių…