Japanski znanstvenik tvrdi da je izravno promatrao tamnu tvar!

25. studenoga 2024. godine japanski istraživač sa Sveučilišta u Tokiju objavio je studiju koja je potresla znanstvenu zajednicu. U svom priopćenju za javnost tvrdi kako je ljudska civilizacija, nakon gotovo jednog stoljeća istraživanja, konačno uspjela vidjeti tamnu tvar. Ne radi se o neizravnom tragu niti o matematičkoj dedukciji, već o izravnom promatranju te nevidljive supstance koja čini 85 posto materije u svemiru. No, ova priča daleko je složenija nego što se na prvi pogled čini, a razlozi zašto znanstvena zajednica ostaje krajnje skeptična vrijedni su detaljnog razmatranja.

Što je zapravo tamna tvar

Godine 1933. švicarski astronom Fritz Zwicky uočio je nešto neobično. Galaksije u skupu galaksija Coma kretale su se toliko velikom brzinom da bi se normalno trebale rasprsnuti u svemir poput kuglica bačenih velikom brzinom. Ipak, ostale su grupirane zajedno. Njegov je tada donekle radikalan zaključak bio da mora postojati nevidljiva materija koja ih drži na okupu svojom gravitacijom. Nazvao ju je tamnom ili mračnom materijom.

Sedamdesetih godina prošlog stoljeća astronomkinja Vera Rubin dodatno je potvrdila ovu teoriju promatrajući da se vanjski dijelovi spiralnih galaksija okreću istom brzinom kao i njihova središta. Taj je fenomen fizički nemoguć bez ogromne količine nevidljive materije raspoređene svugdje okolo. Ovaj bizarni fenomen galaksija koje se okreću istom brzinom kao njihova središta predstavljao je direktan dokaz za spekulacije o postojanju tamne tvari.

Od tada se dokazi samo gomilaju. Ova tamna tvar deformira svjetlost dalekih galaksija poput gravitacijske leće. Ubrzava formiranje kozmičkih struktura, a naši kozmološki modeli jednostavno ne funkcioniraju bez nje. Problem je što je nitko nikada nije izravno vidio. Ne emitira svjetlost, ne apsorbira je, niti je reflektira. Prolazi kroz sve, uključujući kroz ljudska tijela u ovom trenutku, a da se pritom ništa ne osjeća. Milijuni i milijuni čestica onoga što nazivamo tamnom materijom prolaze kroz ljudska tijela svake sekunde bez ikakve interakcije.

Teorija o WIMP česticama i njihovoj detekciji

Fizičari diljem svijeta razvili su teoriju o tome što bi moglo činiti ovu tamnu tvar. Radi se o takozvanim WIMP česticama, odnosno masivnim česticama koje slabo međudjeluju. Ideja je da ako se dvije čestice tamne tvari sudare, one bi se mogle međusobno anihilirati u bljeskanju čiste energije, proizvodeći ultra energetske gama zrake. Upravo to profesor Tomonori Totani tvrdi da je detektirao.

Totani je ponovno analizirao petnaest godina podataka svemirskog teleskopa Fermi NASA-e koji promatra nebo u gama zrakama od 2008. godine. U tim podacima pronašao je nešto spektakularno. Emisiju sfernih gama zraka na razini od 20 gigaelektronvolta, što je energija približno 20 milijardi puta veća od energije vidljive svjetlosti. Ova emisija formira halo oko središta naše galaksije, upravo tamo gdje bi gustoća tamne tvari trebala biti najveća.

Totanijevi proračuni pokazuju da bi te gama zrake odgovarale anihilaciji WIMP čestica koje imaju masu od približno 500 puta veću od mase protona. Totanijevo samopouzdanje je impresivno. Tvrdi da statistička značajnost njegovog otkrića doseže 13 do 19 sigma ovisno o hipotezama, što u znanstvenim terminima znači gotovo potpunu izvjesnost. Kao ilustracija, Higgsov bozon otkriven je sa značajnošću od samo 5 sigma.

Totani ide još dalje. Prema njemu, nijedan drugi poznati astrofizički fenomen ne može objasniti njegova promatranja. Sve savršeno odgovara energetskom spektru, prostornoj distribuciji i intenzitetu gama zraka. Sve se poklapa s teorijskim predviđanjima za anihilaciju tamne tvari.

Zašto znanstvena zajednica ostaje skeptična

Unatoč ovim impresivnim tvrdnjama, znanstvena zajednica ostaje iznimno oprezna, i to iz dobrih razloga. Prvi razlog jest taj što su podaci teleskopa Fermi već analizirani i ponovno analizirani stotine puta od strane timova diljem svijeta. Ako je nešto ovako očito bilo prisutno u tim podacima, zašto to nitko nije vidio prije? Kada istraživač pronađe nešto što nitko drugi nije vidio u javno dostupnim i opsežno proučavanim podacima, to može značiti dvije stvari. Ili se radi o geniju koji je imao briljantnu intuiciju, ili je možda malo previše forsirao parametre svoje analize kako bi pronašao ono što je tražio.

Drugi problem leži u činjenici da je središte Mliječne staze pravi kozmički vatromet. Tamo se nalaze Fermijevi mjehuri, ogromne strukture gama zraka koje se protežu tisućama svjetlosnih godina i koje vjerojatno proizvodi supermasivna crna rupa u srcu naše galaksije. Tu je također petlja Loop 1, ostatak supernove prilično blizu nama koja doprinosi signalu, a zatim i pulsari, ultrabrzorotirajuće neutronske zvijezde koje emitiraju gama zrake.

Totani je napravio vlastito prilagođavanje svih tih poznatih doprinosa, a zatim je sve ostalo pripisao tamnoj tvari. Problem s tim pristupom jest što gotovo matematički garantira da će se nešto pronaći, jer bilo koji oblik ima sfernu komponentu.

Prethodna lažna uzbunjivanja

Ovo nije prvi put da se podiže lažna uzbuna. Prije petnaestak godina, višak ultra energetskih kozmičkih zraka koje su dolazile iz središta naše galaksije bio je pripisan tamnoj tvari. Konačni verdikat bio je da se radilo o milisekundnim pulsarima. Višak pozitrona, tvrdili su neki, u stvarnosti je vjerojatno bio rezultat supernova ili galaktičkih aktivnih jezgri.

Ranije ove godine, spektralna anomalija u emisiji vodika u središtu galaksije predstavljena je kao potpis tamne tvari. Mali problem bio je taj što je ta vrsta tamne tvari potpuno nekompatibilna s onom koju Totani tvrdi da je detektirao. Ne mogu obje postojati istovremeno.

Rezultati eksperimenata izravne detekcije

U međuvremenu, pravi eksperimenti izravne detekcije, oni koji su duboko zakopaani pod zemljom kako bi izbjegli kozmičko zračenje, ne pronalaze ništa. Eksperiment LUX-ZEPLIN, smješten na dubini od 1,5 kilometara ispod zemlje u Južnoj Dakoti, najosjetljiviji je detektor tamne tvari ikad konstruiran. U kolovozu 2024. godine, nakon analize 280 dana podataka, tim je objavio svoje najnovije rezultate. Zaključak je bio ništa. Nisu pronašli apsolutno nikakav trag WIMP čestica.

Njihova je osjetljivost pet puta bolja od bilo kojeg prethodnog eksperimenta. Tim je kopao pet puta dublje nego itko drugi u prostoru parametara tamne tvari i nije pronašao nijednu česticu iznad 9 gigaelektronvolta. WIMP čestice, ako postoje, međudjeluju s običnom materijom još slabije nego što se mislilo.

To nije zbog nedostatka pokušaja. Detektor LUX-ZEPLIN sadrži sedam tona ultra čistog tekućeg ksenona održavanog na temperaturi od minus 95 stupnjeva Celzija, okruženog štitom protiv neutrona i nadgledanog stotinama ultraosjetljivih detektora. Eksperiment XENONnT u Italiji priča istu priču. PandaX u Kini također.

Zašto je ovo važno? Zato što svi ti divovski detektori s milijardama dolara ulaganja i godinama prikupljanja podataka ne vide ništa što bi nalikovali WIMP česticama. Kako pomiriti to s Totanijevom tvrdnjom da je vidio tamnu tvar na nebu? To je upravo vrsta nedosljednosti koja tjera fizičare da podignu obrve.

Raznolikost modela tamne tvari

Stvarni konceptualni problem još je dublji. Modeli čestica tamne tvari iznimno su raznoliki. Postoje klasične WIMP čestice, ali i aksioni, ultra lake čestice koje bi mogle oscilirati poput kvantnih valova. Postoje sterilni neutrini tamne tvari, supersimetrični neutralini, topla tamna tvar, hladna tamna tvar, pa čak i egzotičniji kandidati poput mikroskopskih primordijalnih crnih rupa.

Svaki model predviđa različite potpise. Signal kompatibilan s jednom vrstom čestice bit će potpuno nekompatibilan s drugom. To je poput pokušaja rješavanja slagalice gdje svaki komadić dolazi iz različite igre.

U studenom 2024. godine drugi tim dobio je potporu od 3,5 milijuna dolara od Nacionalne zaklade za znanost za potpuno drugačiji pristup, mineralna detekcija. Ideja je briljantna u svojoj jednostavnosti. Ako tamna tvar postoji i povremeno međudjeluje s običnom materijom, tada bi kristali u stijenama izloženima milijardama godina trebali nositi mikroskopske tragove tih interakcija. To je poput traženja fosilnih otisaka umjesto pokušaja hvatanja živih životinja.

Ovaj pristup mogao bi zaobići sve probleme trenutnih detektora. Druga studija objavljena u prosincu 2024. godine ispitala je koja bi nebeska tijela bila najbolji detektori tamne tvari. Istraživači su analizirali cijeli raspon od Sunca, Zemlje, Jupitera, smeđih patuljaka, bijelih patuljaka, neutronskih zvijezda pa čak i egzoplaneta.

Njihov zaključak bio je da su različita tijela optimalna za detekciju različitih vrsta tamne tvari i da ne postoji jedinstveno rješenje. Lov na tamnu tvar zahtijeva višestruki pristup s različitim vrstama eksperimenata koji se međusobno nadopunjuju.

Gdje zapravo stojimo

Gdje smo zapravo sada? Je li Totanijeva detekcija otkriće stoljeća ili artefakt prenaglašene analize podataka? Istina, kao što je često slučaj u znanosti, vjerojatno se nalazi negdje između. Podaci su intrigantni, proračuni su tehnički solidni, ali povijest fizike prošarana je obećavajućim signalima koji su se pokazali kao nešto sasvim drugo.

Ono što je sigurno jest da će Totanijeva objava pokrenuti val neovisnih analiza. Drugi timovi ponovno će ispitati podatke teleskopa Fermi vlastitim metodama. Tražit će isti signal od 20 gigaelektronvolta u drugim regijama bogatim tamnom tvari, poput satelitskih galaksija patuljaka Mliječne staze. Ako je signal stvaran i zaista dolazi od tamne tvari, trebali bi ga pronaći i tamo.

Znanost funkcionira kroz replikaciju, reprodukciju i neovisnu validaciju. Jedna studija, koliko god bila spektakularna, nikada nije posljednja riječ. Sam Totani priznaje da su potrebni dodatni podaci za validaciju njegovih rezultata.

U međuvremenu, tisuće znanstvenika nastavljaju lov vlastitim metodama. Podzemni detektori akumuliraju još više podataka, svemirski teleskopi pregledavaju nebo, a nove tehnologije neprestano se pojavljuju. Eksperiment LUX-ZEPLIN planira prikupiti više od tisuću dana podataka do 2028. godine. Ako WIMP čestice postoje u njihovom rasponu osjetljivosti, na kraju će ih uhvatiti.

Kako znanost zapravo napreduje

Ono što je fascinantno u ovoj priči jest da savršeno ilustrira kako znanost zapravo napreduje. To nije bljesak inspiracije nakon kojeg slijedi trenutna validacija. To je spor, metikulozan proces sastavljen od smjelih hipoteza, provjera i ponekad lažnih početaka. Svaki negativni eksperiment eliminira dio prostora mogućnosti. Svaki novi signal, čak i ako se pokaže kao lažno pozitivan, uči nas nešto o tome što tamna tvar nije.

Jednoga dana, možda sutra, možda za deset godina, svi će se ti komadići slagalice spojiti. Tamna tvar najveća je misterija moderne fizike i njezino rješavanje vjerojatno će zahtijevati revoluciju u našem razumijevanju svemira. Radi se o istoj vrsti revolucije kao od Kopernika do Newtona, a zatim od Newtona do Einsteina. Sada nam je potreban prijelaz od Einsteina prema nečem novom.

Hoće li Totanijevo otkriće biti ono koje će pokrenuti ovu revoluciju? Iskreno, šanse su prilično male. Većina fizičara kladi se na konvencionalnije astrofizičko objašnjenje, ali nikada se ne može biti potpuno siguran. Upravo to čini znanost uzbudljivom. Svaki novi podatak, svaka nova analiza potencijalno može sve promijeniti.

Uloga umjetne inteligencije u istraživanju tamne tvari

U međuvremenu, jedno je sigurno, bez obzira je li Totanijeva detekcija potvrđena ili opovrgnuta, lov na tamnu tvar se nastavlja. S pojavom umjetne inteligencije u znanosti i znanstvenim istraživanjima stvari postaju još zanimljivije. Algoritmi umjetne inteligencije sada u stvarnom vremenu analiziraju terabajte podataka iz opservatorija, identificiraju suptilne obrasce koje ljudi propuštaju i optimiziraju dizajn novih eksperimenata.

Umjetna inteligencija pomaže u simulaciji sudara čestica, modeliranju distribucija tamne tvari, pa čak i sugerira nove eksperimentalne pristupe koje nitko nije razmatrao. Alati umjetne inteligencije doslovno transformiraju način na koji se danas radi znanost. Algoritmi dubokog učenja analiziraju slike svemirskih teleskopa, neuralne mreže optimiziraju detektore čestica, a čak i generativni sustavi umjetne inteligencije pomažu u formuliranju novih teorijskih hipoteza.

Ovo je revolucija usporediva s izumom teleskopa ili mikroskopa. Znanstvenici koji vladaju ovim alatima umjetne inteligencije imaju kolosalnu prednost nad onima koji ih ne koriste. To se ne odnosi samo na fizičare u njihovim laboratorijima. Umjetna inteligencija transformira sva područja istraživanja, od medicine do inženjerstva, od financija do kreativnosti.

Budućnost istraživanja tamne tvari

Znanje o korištenju ovih alata postaje temeljnom vještinom kao što su čitanje, pisanje ili računanje. Oni koji razumiju i vladaju ovim tehnologijama bit će na strani onih koji koriste umjetnu inteligenciju, a ne onih koji će biti zamijenjeni njome.

Pitanje tamne tvari ostaje otvoreno, a Totanijevo istraživanje samo je još jedan korak u dugom putu prema konačnom odgovoru. Znanstvena zajednica nastavit će ispitivati, analizirati i propitkivati svaki novi nalaz dok se ne postigne konsenzus. U tome leži ljepota znanstvene metode, u stalnom preispitivanju i težnji ka istini bez obzira na početne pretpostavke ili želje istraživača.

Dok eksperimenti poput LUX-ZEPLIN nastavljaju s prikupljanjem podataka, dok teleskopi poput Fermija nastavljaju skenirati nebo, i dok nove tehnologije omogućuju sve sofisticiranije analize, odgovor na pitanje o prirodi tamne tvari polako se približava. Hoće li to biti WIMP čestice, aksioni, sterilni neutrini ili nešto potpuno neočekivano, ostaje za vidjeti. No jedno je sigurno, kada se taj odgovor konačno otkrije, to će biti jedan od najvećih trenutaka u povijesti znanosti, trenutak koji će zauvijek promijeniti naše razumijevanje svemira u kojem živimo.