Co nieco o ciemnej materii

Przez tysiące lat nasi przodkowie spoglądali w nocne niebo i zastanawiali się, co tam jeszcze poza tym co widać gołym okiem może być…

Starożytni filozofowie pragnący lepiej zrozumieć świat dzielili całą istniejącą materię na cztery elementy – podstawowe żywioły: ziemię, powietrze, ogień, wodę. Spierali się jednak odnośnie hierarchii tych elementów. Pogodził ich Arystoteles, który za najwyższy uznał piąty element o nazwie quinta essentia - pramateria, z której miały powstać wszystkie elementy.

Pierwsze starożytne  wyjaśnienia budowy świata opierały się na teorii geocentrycznej, która została dopracowana przez Ptolemeusza w II w. naszej ery. Potem nastąpił w XVI w. przewrót kopernikański i ugruntowała się teoria heliocentryczna.

Ponad  400 lat temu, w nocy z 7 na 8 stycznia 1610 roku, Galileo Galilei skierował nowy instrument - teleskop na niebiosa i ujrzał obiekty, których nikt inny nigdy nie widział: setki gwiazd, góry na Księżycu, satelity Jowisza. Tym odkryciem odmienił nie tylko swoje życie, ale i widzenie świata. Odkrycie, że też jakieś ciała niebieskie krążą wokół innej planety, ostatecznie wywróciło do góry nogami przekonanie o geocentrycznym porządku Wszechświata. 

W środowiskach naukowych dyskutowano zaproponowaną przez Juliusa Schillera w atlasie „Coelum Stellatum Christianum” (1627) zmianę mitologicznych nazw ciał niebieskich na chrześcijańskie, a Johannes Kepler badał już ruchy planet.  

Jednak dopiero w ubiegłym wieku nastąpił rozwój fizyki i nowoczesnych maszyn czasu - teleskopów, który doprowadził do sensownej odpowiedzi na podstawowe pytania ludzkości. Pojawiła się nowa nauka zwana kosmologią. Jest taką dziedziną wiedzy, która stawia najogólniejsze pytania: – Co to jest Wszechświat? Jak powstał? Ile ma lat? Jak powstały jego wielkoskalowe struktury? Jaki będzie los Wszechświata - co się z nim stanie w odległej przyszłości?

Udało nam się znaleźć kilka setek  planet wokół innych gwiazd, 100 miliardów gwiazd w naszej galaktyce, setki miliardów galaktyk poza naszą własną, a  nawet promieniowanie, które jest echem Wielkiego Wybuchu.

Teraz naukowcy badający Wszechświat i dokonujący jego wszechstronnej  inwentaryzacji zebrali dowody, że to, co my możemy dostrzec za pomocą różnorakich przyrządów i co obejmuje, mnie, ciebie, ten komputer, planety, gwiazdy, galaktyki, całą materię w przestrzeni - stanowi zaledwie 4 procent tego co rzeczywiście jest we Wszechświecie.  Resztą nazwali, z braku lepszego słowa - ciemnym: 23 procent jest coś, co nazywamy ciemną materią, a 73 procent jest coś jeszcze bardziej tajemniczego, które nazwali ciemną energią.

Nasze współczesne rozumienie Wszechświata można przedstawić przy pomocy prostego wykresu:

Energetyczny budżet Wszechświata określa zawartość masy-energii w różnych rodzajach materii.

Zwykłej materii we Wszechświecie, która tworzy galaktyki, planety, gwiazdy, mgławice, pył, skały i gaz oraz nas samych – znanej jako materia barionowa, jest jedynie około 4% zawartości masy-energii Wszechświata.

Pozostałe dwa obszary wykresu stanowi ciemna materia i ciemna energia, które razem ze zwykłą materią tworzą wszystko w znanym nam Wszechświecie. Ciemnej materii i energii nie widzimy bezpośrednio – możemy jedynie wnioskować o ich istnieniu poprzez ich wpływ na zwykłą materię, którą widzimy. Tak więc większa zawartość Wszechświata jest dla nas niewidzialna, lecz dowody na istnienie tej tajemniczej zawartości są przekonujące. 

Ciemna energia stanowi tajemniczą „substancję”, która jest równomiernie rozłożona we Wszechświecie i działa antygrawitacyjnie – stanowi dominującą siłę w ewolucji Wszechświata, odpowiada za przyspieszone tempo jego ekspansji. Jednym z kandydatów na pełnienie roli ciemnej energii może okazać się sama pusta przestrzeń - próżnia. W sześcianie o boku 40000 km jej waga ma wynosić 1 gram.  

Gęstość energii próżni nie zmienia się przy rozszerzaniu się Wszechświata, a to oznacza ujemne ciśnienie próżni. Innym kandydatem mogłoby być super słabe pole istniejące w całym Wszechświecie, które charakteryzuje się tylko jedną skalarną wielkością. Jeśli to pole się nie zmienia, to niczym nie różni się od próżni i za 20 miliardów lat Wszechświat tak się rozszerzy, galaktyki się tak rozlecą poza horyzont, że niczego już nie ujrzymy. Jeśli jednak okaże się, że to pole powolutku zmniejsza się to taka ciemna energia – kwintesencja doprowadzi do pojawienia się we Wszechświecie nowej fizyki. Tożsamość ciemnej energii pozostanie jednak dla nas największą tajemnicą w historii nauki jeszcze przez długie lata.

Ciemna materia jest bardziej „spowinowacona” ze zwykłą materią w takim sensie, że jest zdolna do tworzenia zagęszczenia np. o rozmiarach galaktyki, czy gromady galaktyk i uczestniczy w oddziaływaniu grawitacyjnym. Podejrzewa się, że ona składa się z nowych, jeszcze nieodkrytych w ziemskich warunkach cząstek. Cząstki ciemnej materii latają wokół nas. I wcale nie jest ich tak mało. Gdyby przyjąć, że masa jej cząstki jest równa 1000 mas protonu, to tych cząstek ciemnej materii powinno być tu i teraz 1000 sztuk w sześcianie o boku jednego metra.

Niektórzy mają wątpliwości, czy ta większa, niewidzialna część Wszechświata rzeczywiście istnieje. Podstawowym dowodem na jej istnienie jest rotacja gwiazd w galaktykach.

W 1970 r. Vera Rubin prowadziła badania prędkości gwiazd w rotujących galaktykach spiralnych. Podczas obserwacji uczona spostrzegła coś co nie zgadzało się z obowiązującymi prawami fizyki. Gwiazdy leżące na peryferiach oglądanych galaktyk nie obiegały ich centrów tak jak powinny - obiekty bliskie masywnych galaktycznych czarnych dziur, powinny wykonywać okrążenia znacznie szybciej niż te zalegające na krańcach galaktyki. Wyniki jej badan przedstawione są schematycznie na rysunku poniżej:

Rotation curve of a galaxy; following Kepler's law the rotational velocity should decrease with distance from the visible disk (red curve), but the observation (white curve) shows an almost constant velocity out to very large radii. Krzywa rotacji galaktyki: zgodnie z prawami Keplera prędkość obrotowa zmniejsza się wraz z odległością od widocznego dysku (czerwona linia), ale obserwacja (biała krzywa) pokazuje prawie stałą prędkość.

I naukowcy osiągnęli porozumienie: Wszechświat musi zawierać cos więcej niż my jesteśmy zdolni dostrzec. Komputerowe symulacje rotacji Drogi Mlecznej uwzględniające widzialną materię wykazały, że nasza galaktyka nie ma wystarczającej masy, aby utrzymać wszystko na swoim miejscu. Rotując, powinna się rozpadać wyrzucając gwiazdy i gaz we wszystkich kierunkach. I w ten sposób doszło do konieczności uznania istnienia ciemnej materii, której grawitacja utrzymuje naszą galaktykę w całości i wyjaśnia zjawisko jej rotacji .

Dziś już wiemy, że galaktyki otoczone są kokonem ciemnej materii.

Artist's impression of the expected dark matter distribution around the Galaxy. Gęstość widzialnej materii blisko centrów większości galaktyk jest większa niż gęstość materii ciemnej. Zewnetrzne części galaktyk to przede wszystkim ciemna materia wykraczająca daleko poza krawędzie galaktyki. Obraz jest osadzony w niebieskiej poświacie reprezentującej gęstość ciemnej materii. W rzeczywistości ciemna materia jest niewidoczna.  O jej obecności wnioskuje się tylko pośrednio, obserwując ruchy gwiazd i gazu.

O istnieniu ciemnej materii każdy niedowiarek może się przekonać także dzięki zjawisku soczewkowania grawitacyjnego, które pozwala obserwować niewidzialną ciemną materię we Wszechświecie .

Powiększ! Obejrzyj!  Gravitational lensing can occur when light from a distant galaxy, center left, passes through a dark-matter halo around a cluster of galaxies. Here the gravitational pull of the dark matter deflects the light in such a way that an observer on Earth sees two additional images of the galaxy. The diagram is highly idealized; the distances and angles are not drawn to scale.

Światło pochodzące z odległej galaktyki ulega zgodnie z OTW Einsteina zakrzywieniu w polu grawitacyjnym gromady galaktyk na swej drodze. Zakrzywienie toru światła zależy od rozkładu masy w napotkanej po drodze gromadzie galaktyk niezależnie od tego jakie cząstki stanowią tę masę.

I właśnie soczewkowanie grawitacyjne wykorzystuje się do obserwowania własności ciemnej materii w różnych zjawiskach kosmicznych

Zdjęcie poniżej z teleskopu Hubble’a optycznego obrazu obszaru nieba z nałożonym  rozkładem gorącego gazu kosmicznego otrzymanym przy pomocy rentgenowskiego teleskopu Chandra koloru różowego i z nałożoną mapą rozkładu masy w kolorze niebieskim, który obliczono przy pomocy soczewkowania grawitacyjnego, przedstawia dwie dalekie gromady galaktyk po kosmicznej katastrofie. Te gromady galaktyk „przeleciały przez siebie”. Rozkład masy w kolorze niebieskim przedstawia ciemną materię. W wyniku tego zdarzenia nastąpiło oddzielenie normalnej materii od ciemnej.

Gdzie znajduje się główna masa zwykłej materii tych gromad?

Nie w gwiazdach, a w gazie. Jest gorący i dlatego jest widoczny na zdjęciu rentgenowskim.

Przy przechodzeniu przez siebie, gaz zawarty w obu gromadach w wyniku wzajemnego niesprężystego oddziaływania zebrał się w obłok pośrodku i pozostał w tyle za swoimi galaktykami.  Mniejsza część zwykłej materii – gwiazdy, galaktyki swobodnie przeleciały obok siebie kontynuując swoją drogę. Lecz to wszystko stanowi mniejszą część masy obu galaktyk.

A gdzie okazała się główna część masy każdej gromady przedstawiona w niebieskim kolorze?

Jej obłoki swobodnie przeleciały przez siebie – to może być tylko materia, która nie oddziałuje ze zwykłą, ani też sama z sobą lub bardzo słabo sama z sobą - to jest właśnie ciemna materia. W przeciwnym wypadku kolor niebieski (rozkład masy) na zdjęciu musiałby pokryć się z różowym (rozkład gazów).  

Niektórzy astronomowie jednak dowodzą, że ciemna materia będąc kluczowym graczem w kształtowaniu całej struktury Wszechświata, który włada galaktykami i gromadami galaktyk  może oddziaływać sama ze sobą. Podczas obserwacji efektów jednoczesnego zderzenia czterech odległych galaktyk  w centrum gromady galaktyk  Abell 3827odleglych od Ziemi  1,3 mld lat światła, astronomowie wywnioskowali, ze ciemna materia może okazać się nie tak ciemna jak dotychczas uważano i zauważa świat wokół siebie sama oddziaływując z sobą. Szef zespołu astronomów dr Richard Massey ma nadzieje na rychłe poszerzenie wiedzy o ciemnej materii i mówi: "Dark matter, we're coming for you."

Poznanie natury ciemnej materii i zmian jej rozkład w czasie jest przecież niezbędnym kluczem  do zrozumienia roli ciemnej energii, która kontroluje ekspansji Wszechświata. Dlatego też astronomowie intensywnie pracują nad mapowaniem  ciemnej materii w szerokim regionie Wszechświata jest kluczem do zrozumienia właściwości ciemnej energii, która kontroluje ekspansję Wszechświata.

Polowanie na ciemną materię trwa w najlepsze. Powstaje mnóstwo hipotez i  pomysłów zakrawających niekiedy o science fiction – niektórzy uczeni  mówią nawet  o ciemnym sektorze rzeczywistości, w którym może istnieją ciemne atomy i ciemne fotony.

W wyścigu do poznania natury ciemnej energii uczestniczą zarówno fizycy teoretycy jak i obserwatorzy z całego świata. Prace w tym zakresie mają również miejsce w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych  CERN w pobliżu Genewy na Wielkim Zderzaczu Hadronów LHC, lecz o tym będzie w notce „Małe co nieco o Modelu Standardowym”.