Tumšā matērija ir viela, kas neveido ķīmiskās saites, neizstaro un neabsorbē elektromagnētisko starojumu, tādēļ ir neredzama visiem teleskopiem. Tomēr tās gravitācijas ietekme ir tik spēcīga un konsekventa, ka zinātniekiem nav šaubu par tās eksistenci. Pēc pašreizējiem kosmoloģiskajiem mērījumiem aptuveni 85% no Visuma matērijas ir tumšā matērija, bet tikai atlikusī daļa – mums pazīstamā bārijonu matērija (zvaigznes, planētas, gāzes, putekļi).

Kā mēs zinām, ka tumšā matērija pastāv?

Tumšo matēriju nav iespējams novērot tieši, bet tās klātbūtne izpaužas vairākos neatkarīgos kosmoloģiskos fenomenos:

1. Galaktiku rotācijas ātrums

Galaktiku perifērijās zvaigznes griežas pārāk ātri, lai gravitācijas spēks, ko rada redzamā matērija, tās noturētu. Tās neizklīst kosmosā, kas nozīmē, ka galaktiku halo satur papildu masu — tumšo matēriju.

2. Gravitācijas lēcas efekts

Masīvi objekti liek gaismu izliekties. Galaktiku kopu izraisītā gaismas deformācija ir lielāka nekā izskaidro bārijonu matērija, norādot uz neredzamu masu.

3. Kosmiskā mikroviļņu fona reljefs

Visuma senā termiskā “fosilija”, kas palikusi pēc Lielā sprādziena, satur nelielas temperatūras svārstības. To sadalījums precīzi atbilst tumšās matērijas modelim.

Bullet Cluster – neapstrīdams pierādījums

Viens no nozīmīgākajiem novērojumiem ir galaktiku kopu sadursme, ko dēvē par Bullet Cluster. Tajā redzamā matērija — karstā gāze — apstājas sadursmes zonā, bet tumšā matērija acīmredzot “iziet cauri”, jo to parāda gravitācijas kartējums.

Šis gadījums pierāda divas būtiskas lietas:

1. Tumšā matērija nav parastā matērija, kas reaģē uz elektromagnētiskiem spēkiem.
2. Tumšā matērija, iespējams, mijiedarbojas pati ar sevi, taču tikai minimāli.

Līdzīgi novērojumi ir veikti arī MACS J0025 un Abell galaktiku kopās, un tie papildina šo ainu ar jauniem datiem.

Kas tumšā matērija nav

Tā nav redzamā matērija

Neatbilst ķīmisko elementu uzvedībai un neietekmē fotonus.

Tā nav melnie caurumi (lielākoties)

Pastāv hipotēze par primordiālajiem melnajiem caurumiem, kas radās pēc Lielā sprādziena, taču:

• gravitācijas viļņu katalogi (LIGO, Virgo) nenovēro pietiekamu sadursmju skaitu,
• kosmiskā fona analīzes izslēdz lielāko masas daļu, kur PBH varētu dominēt.

Melnie caurumi var būt tumšās matērijas fragments, bet ne tās galvenā sastāvdaļa.

Vadošās teorijas par tumšo matēriju

1. WIMP – vājās mijiedarbības masīvas daļiņas

Šī klasiskā pieeja paredz smagas daļiņas, kas mijiedarbojas tikai ar gravitāciju un vājo kodolspēku.
Tomēr laboratorijās tās nav atrastas, un robežas tiek strauji sašaurinātas.

2. Ultravieglo bozonu tumšā matērija

Viens no dinamiskākajiem virzieniem. Tiek pieļauts, ka tumšā matērija sastāv no aksiomiem — hipotētiskām daļiņām ar ārkārtīgi zemu masu.
Tie veidotu kvantu “mākonīšus” galaktiku centros, kas izskaidrotu rotācijas ātrumus bez WIMP scenārija.

3. Pašmijiedarbojošā tumšā matērija (SIDM)

Šis modelis paredz, ka tumšā matērija vājā veidā mijiedarbojas pati ar sevi, veidojot gludākas galaktiku serdes un labāk atbilstot kopu sadursmju datiem.

Eksperimenti un novērojumi

Tumšās matērijas meklējumi notiek dziļi pazemē, lai pasargātu detektorus no kosmiskā starojuma.

• LUX-ZEPLIN (ASV)
• XENONnT (Itālija, Gran Sasso)
• PandaX-4T (Ķīna)

Tie izmanto šķidru ksenonu, kas reģistrē ārkārtīgi vājus signālus.
Līdz šim (2024–2025) eksperimenti nav konstatējuši nevienu drošu tumšās matērijas signālu, kas zinātni virza tālāk no WIMP modeļa.

Nākotnes perspektīvas

Euclid, Rubin un LISA

Teleskops Euclid veido Visuma mēroga tumšās matērijas kartes.
Rubin Observatory (LSST) nākamo 10 gadu laikā nodrošinās milzīgu datu kopu par galaktiku izkliedi un gravitācijas lēcu statistiku.
Kosmiskā gravitācijas viļņu observatorija LISA palīdzēs atklāt tumšās matērijas lomu galaktiku un zvaigžņu sistēmu saplūšanā.

Tumšā matērija nav metafiziska vai spekulatīva ideja. Tā ir empīriski novērojama gravitācijas parādība, kas nosaka Visuma struktūru no galaktiku mēroga līdz kosmiskajam tīklam. Lai gan mēs joprojām nezinām tās precīzo sastāvu, mūsdienu kosmoloģija un daļiņu fizika tuvojas brīdim, kad neredzamā matērija tiks saistīta ar konkrētu daļiņu vai kvantu lauku.

Mēs zinām, ka tumšā matērija pastāv. Mēs vēl tikai atklājam, kas tā ir.