Tamna tvar ne svijetli, ne upija svjetlost i ne odražava je na način koji možemo izmjeriti teleskopima. Ipak, astronomi opažaju njezinu gravitaciju. Zvijezde se u galaksijama gibaju prebrzo za količinu vidljive mase, jata galaksija savijaju pozadinsku svjetlost više nego što bi mogla obična tvar, a sudari jata odvajaju glavninu mase od vrućeg plina.
Naziv zato ne opisuje otkrivenu česticu. On označava skup opažanja koja traže dodatnu masu ili drukčiji opis gravitacije. Prema NASA-inu pregledu, tamna tvar čini oko 27 posto ukupnog sadržaja svemira, dok obična tvar čini oko 5 posto. Tamna energija zaseban je problem povezan s ubrzanim širenjem svemira.
Rotacijske krivulje pokazuju masu izvan zvijezda
Brzina zvijezde u kružnoj putanji ovisi o masi unutar njezine orbite. Pojednostavljeno, vrijedi odnos v = √(GM/r). Kada bi većina galaktičke mase bila ondje gdje vidimo zvijezde i plin, brzine bi se prema rubu diska trebale smanjivati približno s drugim korijenom udaljenosti.
U mnogim spiralnim galaksijama vanjski dijelovi rotiraju gotovo jednako brzo kao područja bliža središtu. Takva ravna rotacijska krivulja upućuje na to da ukupna masa nastavlja rasti i izvan sjajnog diska. Astronomi je opisuju velikim haloom tamne tvari. To ne znači da svaka galaksija ima istu krivulju niti da su sve procjene mase jednostavne, ali obrazac se ne može objasniti samo opaženim zvijezdama i plinom.
Za razumijevanje tog argumenta korisno je prvo razjasniti kako funkcionira gravitacija i zašto kružno gibanje mjeri masu koju ne moramo izravno vidjeti.
Gravitacijsko lećenje stvara kartu ukupne mase
Masa zakrivljuje prostorvrijeme, pa svjetlost udaljene galaksije mijenja put kada prolazi uz bližu galaksiju ili galaktičko jato. Taj učinak zovemo gravitacijsko lećenje. Iz rastegnutih slika, lukova i sitnih statističkih izobličenja velikog broja pozadinskih galaksija istraživači računaju gdje se nalazi ukupna masa leće.
Karta dobivena lećenjem ne ovisi o tome svijetli li tvar. Kada se usporedi sa zvijezdama i rendgenski vrućim plinom, često ostaje velik višak mase. Einsteinovo predviđanje zakrivljenosti svjetlosti zato je postalo jedan od glavnih alata za kartiranje tamne tvari. ESA-ina misija Euclid mjeri oblike milijardi galaksija kako bi pratila raspodjelu mase i razvoj velikih struktura tijekom kozmičke povijesti.
Bullet Cluster odvaja plin od glavnine mase
Bullet Cluster, službeno 1E 0657-56, nastao je sudarom dvaju galaktičkih jata. Veći dio obične tvari u takvim jatima nije u zvijezdama, nego u vrlo vrućem plinu. Tijekom sudara plinovi dvaju jata međusobno djeluju, usporavaju i ostaju iza. Galaksije prolaze uz mnogo manje otpora.
NASA-in rendgenski opservatorij Chandra kartirao je vrući plin, a Hubble i zemaljski teleskopi gravitacijskim su lećenjem odredili raspodjelu mase. Vrhovi ukupne mase nisu ostali uz glavninu plina, nego bliže galaksijama koje su prošle kroz sudar. Ta prostorna razdvojenost jedan je od najjasnijih opažačkih argumenata da većina mase nije obični plin i da se ponaša kao slabo interagirajuća komponenta.
Novija mjerenja teleskopa Webb preciznije su kartirala lećenje u tom jatu. Rezultati nisu pokazali znatno samodjelovanje tamne tvari, ali ne određuju od koje je čestice sastavljena. Bullet Cluster snažno ograničava objašnjenja, no nije laboratorijska identifikacija čestice.
Koji su kandidati za tamnu tvar
Kandidat mora proizvesti opaženu gravitaciju, uglavnom ostati elektromagnetski nevidljiv i biti usklađen s nastankom galaksija i kozmičke mreže. Modeli najbolje opisuju većinu tamne tvari kao hladnu, što znači da se u ranom svemiru gibala dovoljno sporo da se strukture mogu postupno zgušnjavati.
Najčešće se razmatraju WIMP čestice, aksioni i primordijalne crne rupe. WIMP je skupni naziv za hipotetske masivne čestice sa slabim interakcijama. Aksioni bi bili mnogo lakši i mogli bi stvarati koherentna polja. Primordijalne crne rupe mogle su nastati u vrlo ranom svemiru, ali opažanja već ograničavaju raspone masa u kojima bi mogle činiti svu tamnu tvar.
Veza s Higgsovim bozonom nije u tome da je Higgs tamna tvar. Higgs pripada potvrđenom Standardnom modelu, dok bi kandidat za tamnu tvar zahtijevao novu česticu ili drukčiji kozmički objekt. Ni crne rupe nastale urušavanjem današnjih zvijezda ne mogu jednostavno zamijeniti svu potrebnu tamnu tvar.
Potrage se zato odvijaju na više frontova. Podzemni detektori traže rijetke sudare s atomskim jezgrama, teleskopi moguće produkte raspada ili anihilacije, a akceleratori tragaju za novim česticama. Dosadašnji izostanak potvrde sužava dopuštena svojstva kandidata, ali sam po sebi ne dokazuje da kandidat ne postoji.
Gdje završava naše znanje
Znamo da više neovisnih mjerenja traži dodatnu gravitacijsku komponentu: gibanje zvijezda, dinamika jata, lećenje, Bullet Cluster i rast kozmičkih struktura. Možemo kartirati njezinu raspodjelu i postavljati granice brzini te mogućim interakcijama.
Ne znamo identitet čestice, postoji li jedna vrsta tamne tvari ili više njih ni djeluje li ona izvan gravitacije toliko slabo da dosadašnji detektori to nisu zabilježili. Izravna potraga još nije potvrdila WIMP, aksion ili drugi kandidat. Modificirane teorije gravitacije mogu opisati dio galaktičkih podataka, ali moraju istodobno objasniti lećenje, sudare jata i kozmološka mjerenja.
Tamnu tvar stoga treba razlikovati od ideja koje zasad nemaju opažačku potvrdu, poput nekih verzija multiverzuma. Dokazi za dodatnu masu vrlo su jaki. Tvrdnja da znamo od čega je ta masa napravljena još nije potkrijepljena mjerenjem.
