Z czego składa się ciemna materia?

Z czego składa się ciemna materia?

Jeśli spoglądamy w pogodną noc w niebo, możemy zobaczyć kilka tysięcy gwiazd. Przez teleskop ujrzymy o wiele więcej – odległe galaktyki, obłoki gazowe oraz pył międzygwiezdny. Wszystko to albo emituje światło, albo je pochłania. Gdyby gwiazdy nie świeciły, nie wiedzielibyśmy, że tam są.

W ciągu kilku ostatnich dziesięcioleci astronomowie doszli do wniosku, że we Wszechświecie istnieje mnóstwo materii, która nie oddziałuje wcale ze światłem (ani z żadnym innym rodzajem promieniowania). Wiemy, że ta, stosownie nazwana, „ciemna materia” ujawnia się jedynie przez oddziaływanie grawitacyjne. To tak jakbyśmy nigdy nie widzieli Księżyca, lecz musieli o jego istnieniu wywnioskować z pływów oceanicznych.

Obecność ciemnej materii zauważona została po raz pierwszy w czasie obserwacji obracających się galaktyk podobnych do Drogi Mlecznej. Jasne ramiona spiralne tych galaktyk otoczone są rozproszonym „morzem wodorowym”, emitującym słabe sygnały radiowe. Nanosząc te sygnały na wykres, astronomowie mogą odtworzyć ruchy wodoru. W każdej z badanych galaktyk wychodzi na jaw zadziwiający fakt – wodór porusza się tak, jakby był unoszony, podobnie jak liście w potoku, przez ogólny przepływ w galaktyce, nawet jeśli znajduje się bardzo daleko od skupisk gwiazd. Jedyny wniosek, jaki stąd można wyciągnąć, jest taki, że każda galaktyka otoczona jest olbrzymim halo materii nie oddziałującej ze światłem (ani żadnym innym rodzajem promieniowania), ale wywierającej siłę grawitacyjną. W liczbach wyraża się to tak, że z tej ciemnej materii składa się co

najmniej 90 procent galaktyki takiej jak nasza Droga Mleczna.

W trakcie innych badań natrafiono na ciemną materię pomiędzy galaktykami w gromadach, gdzie siła grawitacyjna utrzymuje gromadę w całości o wiele ciaśniej, niż należałoby się tego spodziewać, biorąc pod uwagę jedynie przyciąganie grawitacyjne pomiędzy jasnymi częściami galaktyk. Nie będzie przesadą twierdzić, że ciemną materię odkryliśmy wszędzie tam, gdzie jej szukaliśmy. Tak więc Wszechświat składa się w 90 procentach z ciemnej materii, której istnienia jeszcze kilkadziesiąt lat temu nie podejrzewaliśmy.

Czym ona jest?

Odpowiadając na to pytanie naukowcy dzielą się na dwa obozy, które będę nazywał „barionistami” oraz „egzotykami”. Wyraz ,,barion” (od greckiego „ciężki”) odnosi się do takich obiektów, jak protony i neutrony, z których składa się zwyczajna materia. Barioniści dowodzą, że ciemna materia jest zwykłą materią, której po prostu jeszcze nie zdołaliśmy wykryć – jak na przykład obiekty o rozmiarach Jowisza, znajdujące się między galaktykami. Egzotycy zaś utrzymują, że ciemna materia musi być czymś nowym, nigdy dotąd nie widzianym przez istoty ludzkie. Swoich kandydatów wybierają ze „stajni” hipotetycznych cząstek, o których latami marzyli różni fizycy teoretycy, lecz które do tej pory nie pojawiły się w laboratorium.

Jednym z pól bitewnych jest teoria. W tej rozgrywce naukowcy rozważają, jak poszczególne rodzaje ciemnej materii pasowałyby do naszych teorii wczesnych etapów Wielkiego Wybuchu. Czy ten rodzaj ciemnej materii dałby oczekiwane źródło tych olbrzymich struktur, jak gromady i supergromady galaktyk, jakie widzimy, spoglądając w niebo? Czy tamten rodzaj wyjaśni, dlaczego wszystkie galaktyki wydają się podobnych rozmiarów? Odnoszę wrażenie, że spór ten nie zostanie rozstrzygnięty, ponieważ teoretycy z obu stron zawsze będą w stanie połatać swoje ulubione pomysły na tyle, by zgadzały się z bardzo skąpymi danymi obserwacyjnymi.

Tak więc problem, z czego głównie składa się Wszechświat, rozstrzygnięty będzie dobrym, starym sposobem – przez doświadczenia i obserwacje. W 1993 roku padł pierwszy strzał w tej batalii, gdy zespół astronomów ogłosił wykrycie ciemnych obiektów krążących po Drodze Mlecznej. Śledzili oni nieustannie miliony gwiazd w Wielkim Obłoku Magellana (niewielkiej galaktyce na peryferiach Drogi Mlecznej), czatując na gwiazdę, która pojaśnieje i ściemnieje w ciągu kilku dni. Pomysł polegał na tym, że jeśli między nami a gwiazdą przechodzi masywny obiekt, to światło gwiazdy zostanie przezeń ugięte i w rezultacie obiekt ten zadziała jak soczewka, powodując chwilowe pojaśnienie gwiazdy. Zaobserwowano dziesiątki takich pojaśnień. Te ciemne obiekty zwane są MACHO (Massive Compact Halo Objects – zwarte obiekty halo o dużej masie) i najprawdopodobniej składają się z barionów. W 1996 roku astronomowie ogłosili nowe wyniki badań, stwierdzające, że aż 50 procent ciemnej materii Drogi Mlecznej istnieje jako MACHO, prawdopodobnie w postaci wypalonych gwiazd.

W tym samym czasie w laboratoriach na całym świecie odbywają się bardziej bezpośrednie poszukiwania ciemnej materii. Istota tych eksperymentów polega na tym, że jeżeli faktycznie zanurzeni jesteśmy w morzu ciemnej materii, wówczas poruszanie się w nim Ziemi powinno wywoływać „wiatr ciemnej materii” w ten sam sposób, w jaki ruch samochodu powoduje podmuchy wiatru w spokojny dzień. Stosując bloki czystego kryształu krzemu schłodzonego do ułamka stopnia powyżej zera bezwzględnego, fizycy oczekują, że cząstka ciemnej materii zderzy się z atomem krzemu, oddając wystarczająco dużo energii, by naruszyć strukturę kryształu. W doświadczeniach tych poszukuje się szczególnie egzotycznych cząstek zwanych WIMP (Weakly Interacting Massive Particles – słabo oddziałujące cząstki o dużej masie). Jeśli eksperymenty te zakończą się powodzeniem, dowiemy się, że wszystkie nasze dotychczasowe wysiłki w badaniu Wszechświata koncentrowały się na niewielkiej części materii i że istnieją zupełnie inne formy, których właściwości i wpływ na nas czekają jeszcze na odkrycie.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *