Snov, ki je, a nihče ne ve, kaj je
Brez nje ne moremo razložiti lastnosti galaksij in jat galaksij
Če v vesolju ne bi bilo temne snovi, bi bilo precej drugačno. Na posnetku je sicer jata mladih zvezd v meglici NGC 3603.
Dr. Mateja Gosenca je raziskovalka na Univerzi na Dunaju. Z numeričnimi simulacijami skuša razkriti, kaj je oziroma iz česa je sestavljena ena najbolj skrivnostnih snovi, ki nas obdaja – temna snov.
Astroiziki na podlagi lastnosti vesolja vedo, da ga sestavlja snov, ki z drugo snovjo interagira gravitacijsko, sicer pa je neposredno niso zaznali. Temna snov je eden najbolj izmuzljivih in najpomembnejših nerešenih problemov v sodobni astroiziki. Po trenutno uveljavljenem modelu je vesolje sestavljeno iz okoli 68 odstotkov temne energije, ki jo še najmanj razumemo, v kozmologiji sicer velja za konstanto, 27 odstotkov temne snovi in petih odstotkov vidne snovi – to so zvezde, planeti, medgalaktični plin, meglice, kometi, navsezadnje tudi mi. Če se osredotočimo le na porazdelitev snovi, je temna snov predstavlja kar 85 odstotkov.
»Za večino snovi torej ne vemo, kaj je. Zadovoljivega modela nimamo. Menim, da je tudi za širšo javnost pomembno, da bi to razumeli, že zaradi zavedanja o nas samih in svetu, kaj dejansko zapolnjuje vesolje, zakaj je tako, kot je. Védenje o tem je zame vrednota. Če pa k temu dodam še širše aplikacije: vsako novo fundamentalno odkritje v znanosti je pripeljalo do nekega novega tehnološkega napredka,« poudarja dr. Gosenca.
Če temne snovi ne bi bilo, bi bilo vesolje povsem drugačno. »Brez te snovi bi bilo vidne premalo, da bi gravitacija denimo 'držala skupaj' galaksije. Te se tudi ne bi združevale v jate galaksij in velike strukture bi razpadle,« razlaga astroizičarka, ki je diplomirala na Fakulteti za matematiko in iziko v Ljubljani, nato pa jo je raziskovalna kariera odpeljala v tujino. Na Univerzi v Sussexu je magistrirala in doktorirala, podoktorski študij je opravljala na Novi Zelandiji, na Univerzi v Aucklandu.
»Snov, ki jo poznamo, opisujemo s standardnim modelom osnovnih delcev. Ta, če poenostavim, pravi, da obstajajo kvarki, leptoni in bozoni. Model opisuje vse, kar vidimo na Zemlji in v naši okolici, v Osončju. V astronomiji že zadnjih 50 let vemo, da je 85 odstotkov vse snovi nevidne. Jo pa lahko razberemo na velikih velikostnih skalah, v galaksijah vpliva na to, kako se gibljejo zvezde. Če opazujemo ali merimo snovi v jatah galaksij, znova opazimo vpliv nečesa, kar gravitacijsko deluje na vidno snov, s svetlobo pa ne reagira. Brez te temne snovi ne moremo razložiti lastnosti galaksij in jat galaksij, torej vemo, da tam je neka snov, ki ima maso,« pojasnjuje in dodaja, da, kot kaže, ne interagira z elektromagnetno silo, to pa pomeni, da ne absorbira, odbija ali oddaja svetlobe, zato te snovi ne morejo neposredno videti.
»Najbolj presenetljivo pa je, da tudi ko pogledamo v zgodnje vesolje, v mikrovalovno sevanje ozadja, lastnosti tega sevanja prav tako lahko opišemo zgolj tako, da je delež snovi neviden. In ta delež je enak trenutnemu, torej 85 odstotkov.«
Kaj bi torej temna snov lahko bila? »Najverjetneje gre za nov delec, ki ga doslej še nismo zaznali v pospeševalnikih. Med priljubljene kandidate sodijo recimo delci WIMP, ki imajo maso primerljivo s kvarki. Druga možnost je, da gre za zelo številne in zelo lahke delce, eden takšnih kandidatov se imenuje aksion. Če upoštevamo de Broglievo enačbo za valovno dolžino, bi lahko rekli, da lažji ko so, večja je valovna dolžina, to pa pomeni, da bi se poleg gravitacijskih njihovi kvatnomehanski vplivi lahko poznali na zelo velikih, celo astronomskih velikostnih skalah. Sama se v raziskavah ukvarjam z delci, ki so še lažji od aksionov, vendar imajo enake druge lastnosti. Gre za povsem nepotrjeno teorijo in moje
Pri svojem delu skušam številne razlage in teorije z numeričnimi simulacijami povezovati z realnimi opazovanji. Pri teh smo še precej omejeni.
Mateja Gosenca
delo so simulacije modelov in ugotavljanje, ali bi to idejo lahko potrdili oziroma ovrgli z opazovanji,« pravi dr. Mateja Gosenca.
»Poleg tega, da govorimo o zelo zelo lahkih delcih, so po drugi strani kandidatke za razlago temne snovi črne luknje, ki bi lahko nastale v zgodnjem vesolju in imajo maso primerljivo s Sončevo. Če upoštevamo le en parameter, in sicer maso, si lahko kandidate za temno snov predstavljamo nanizane na neki premici, z naraščajočo maso in zelo lahkimi kandidati na enem koncu ter težjimi na drugem. Deli te premice so že izločeni z opazovanji, ampak ponavadi s predpostavko, da neki kandidat sestavlja vso temno snov. Tako sem v zadnjem času sodelovala pri raziskavah, ki niso osredotočene le na en delec oziroma na eno razlago, ampak upoštevajo več kandidatov za temno snov hkrati. Teh je, poleg omenjenih, zelo veliko. Pri svojem delu skušam številne razlage in teorije z numeričnimi simulacijami povezovati z realnimi opazovanji. Pri teh smo še precej omejeni. Če povzamem, moje delo je napovedovanje, kakšno bi moralo biti vesolje, če bi držal posamezni model o temni snovi,« pojasnjuje in dodaja, da se z neposrednimi opazovanji vesolja s teleskopi ne ukvarja. »Moje delo je predvsem numerično. Predpostavke so ponavadi neke enačbe, s katerimi določamo, kaj bi v vesolju opazili s teleskopi, deni
Po zdaj uveljavljenem modelu je vesolje sestavljeno iz okoli 68 odstotkov temne energije, 27 odstotkov temne snovi in petih odstotkov vidne snovi.
mo, kakšni bi bili galaktični haloji, kako je videti porazdelitev gostote snovi, hitrosti zvezd …«
Odlične slovenske skupine
Skrivnostni problem sodobne astroizike je Matejo Gosenca pritegnil med magisterijem in doktoratom v Angliji. »Sprva me je močno zanimala temna energija, ki jo v kozmologiji najlažje pojasnimo kot konstanto. Zanjo je z opazovanji še manj možnosti, da izvemo kaj več, medtem ko je pri temni snovi zelo veliko teorij. V prihodnjih desetletjih bomo s teleskopi pridobili velikansko količino podatkov, iz katerih bo mogoče marsikaj izvedeti tudi o iziki temne snovi.« Za lastnostmi temne snovi se bo med drugim oziral observatorij Vere Rubin, ki ga gradijo v Čilu, Nasa pa sestavlja vesoljski teleskop Nancy Grace Roman, ki bo raziskoval distribucijo vidne in temne snovi v vesolju. Observatorij, poimenovan po Veri Rubin, ki je s svojimi opazovanji vrtenja galaksij postregla z dokazi o obstoju temne snovi, bo prvo svetlobo ugledal prihodnje leto. Nasin teleskop – imenuje se po še eni znameniti astronomki Nancy Grace Roman, ki je raziskovala gibanje zvezd in pri Nasi ključno prispevala h gradnji Hubblovega teleskopa – pa bodo izstrelili predvidoma oktobra 2026.
Matejo Gosenca, ki prihaja iz Bele krajine, je v gimnaziji najprej zanimala ilozoija, nato jo je pritegnila izika, ki je, kot pravi, »še najbolj oprijemljiva veda, ki odgovarja na vprašanja o svetu«. »Všeč mi je bila tudi matematika, simpatično mi je bilo reševanje enačb, in tako sem se odločila za študij izike, pri katerem me je potegnilo v astronomsko smer. Vesolje se mi je že takrat zdelo fascinantno, navdušila sem se nad kozmologijo. Ta veda pa me je potem odpeljala v tujino.«
Kot dodaja, so astronomske skupine v Sloveniji odlične, vendar so majhne in razpisnih mest je malo. »Če se prijavljaš po vsem svetu, imaš boljše možnosti. S partnerjem, ki je Nemec, sva bila nekaj časa daleč narazen, jaz na Novi Zelandiji, on v Franciji, potem pa sva oba dobila mesto na Dunaju. Z veseljem bi se vrnila tudi v Slovenijo. Bomo videli, kaj bo prinesla prihodnost,« se nasmehne.
Povprašamo jo še, kako gleda na vnovično osvajanje Lune in ali bi sama šla na Mars. »Prej na Luno kot na Mars. Na Luni je gravitacija manjša in potem bi lahko visoko skočila. Na Mars bi šla za kake tri mesece, vendar je potovanje do tja zelo dolgo. Ideje, da bi ljudje živeli na Marsu, se mi ne zdijo privlačne. Na sosednjem planetu ni veliko zanimivega, razen za raziskovalce. Tam ni ne življenja, ne dreves, ne oceanov, ljudje bi bili omejeni na majhna bivališča. Na Luno, ki je precej bližje, pa bi šla z veseljem, že samo, da bi se lahko ozrla nazaj proti Zemlji,« odgovarja astroizičarka, ki meni, da ni smiselno za vsako ceno v vesolje pošiljati ljudi. »Mislim, da življenje na Marsu večini ne bi bilo všeč. Tudi raziskave lahko enako dobro opravimo z roboti, ne vidim smisla, da bi pošiljali živa bitja nekam, kamor pravzaprav ni treba. Odlična ideja pa se mi denimo zdi, da bi na nam nevidni strani Lune zgradili radijske teleskope, tako bi se izognili šumu, ki ga oddaja Zemlja,« še dodaja dr. Mateja Gosenca, ki v prostem času skuša predvsem z veliko gibanja po gozdu, parkih – peš ali na kolesu – omiliti večinoma za računalnikom sedeč način delovnika.