Niewidzialny wszechświat

Jaśniej o ciemnej materii
Otaczający nas kosmos zaledwie w kilku procentach składa się z materii, którą znamy z codziennego doświadczenia i tablicy Mendelejewa. Resztę spowijają wieczne ciemności. Żeby przez nie przebrnąć, być może trzeba będzie zmienić prawa fizyki.

Tylko 3–5 proc. tego, z czego zbudowany jest Wszechświat, składa się z tzw. materii barionowej, czyli atomów – o których uczymy się w szkole – tworzących gwiazdy, mgławice, planety, krzesła, butelki szampana, a także nas samych. Ta materia świeci (jak gwiazdy lub gorący gaz) lub pochłania światło wyemitowane przez gwiazdy (jak obłoki zimnego gazu). Dzięki temu daje się zaobserwować. Pozostałe ok. 95 proc. zawartości kosmosu to materia, której obecność możemy stwierdzić tylko pośrednio – poprzez jej wpływ na ruchy gwiazd i galaktyk. To tzw. ciemna strona Wszechświata, czyli ciemna materia niebarionowa (tej jest ok. 23 proc.) i ciemna energia (aż 72 proc.).

Ciemną materię tworzą nieznane nam cząstki elementarne, które nie są ani protonami, ani neutronami – inaczej mówiąc, nie są znajomymi nam barionami. Natomiast ciemna energia związana jest z tajemniczą siłą odpychania (wszystkie podane tutaj liczby obarczone są kilkuprocentowym błędem).

Podejrzenie, że w kosmosie, poza widocznymi galaktykami i międzygwiazdowym gazem, musi się znajdować coś jeszcze i że jest tego bardzo dużo, po raz pierwszy zaświtało w głowie szwajcarskiego astronoma Fritza Zwicky’ego. W latach 30. XX w. obserwował on wielkie skupiska galaktyk, zwane gromadami. Masę gromady można zmierzyć, sumując masy wszystkich gwiazd we wszystkich galaktykach zawartych w gromadzie. Dostaniemy w ten sposób masę świecącą gromady. Można też odwołać się do dynamiki. Znając rozmiary Ziemi i przyspieszenie grawitacyjne, z jakim spadało słynne jabłko na głowę Izaaka Newtona, można obliczyć masę naszej planety. W podobny sposób można oszacować masę gromady, mierząc jej rozmiary oraz prędkości galaktyk tworzących gromadę i krążących w niej wokół wspólnego środka masy. W ten sposób wyznaczymy jej masę grawitacyjną. Zwicky ze zdumieniem stwierdził, że masa świecąca gromady jest wielokrotnie mniejsza od masy grawitacyjnej. Aby tę rozbieżność wyjaśnić, wysunął hipotezę, że brakującą masę należy przypisać materii, która nie świeci, ale oddziałuje z materią świecącą grawitacyjnie.

Znacznie później, bo na początku lat 70., podobnych obserwacji, choć w innej skali, dokonała Amerykanka Vera Rubin. Badała ona tzw. krzywe rotacji w galaktykach spiralnych. Udało jej się zaobserwować, że na obrzeżach tych galaktyk gwiazdy poruszają się znacznie szybciej, niż wynika to z ich przyciągania przez materię świecącą skupioną w gwiazdach. Trzej teoretycy z uniwersytetu w Princeton – Jerry Ostriker, Jim Peebles i Amos Yahil – zaproponowali wyjaśnienie obserwacji Rubin: galaktyki spiralne są zanurzone w wielkim obłoku ciemnej materii.

Wodór i hel

Stało się również jasne, że ok. 90 proc. ciemnej materii stanowi materia niebarionowa. Obfitość barionów we Wszechświecie została wyznaczona z rachunków pierwotnej nukleosyntezy. Dwa najbardziej rozpowszechnione pierwiastki we Wszechświecie to wodór i hel, występujące w proporcji 3:1. Pozostałe występują w ilościach śladowych. Rosyjski fizyk Gieorgij Gamow zauważył, że w ciągu trzech pierwszych minut swojego istnienia Wszechświat był wystarczająco gęsty i gorący, aby w wyniku reakcji termojądrowych ze stanu pierwotnego, zawierającego jedynie protony i neutrony, mogły powstać jądra atomowe kilku lekkich pierwiastków, w tym helu-4 oraz deuteru. Ten ostatni to izotop wodoru, zbudowany z jednego protonu i jednego neutronu. Obfitości wyprodukowanego helu i deuteru zależą od liczby barionów. W ten sposób, wiedząc z obserwacji, ile jest helu i deuteru, można obliczyć, ile powinno dziś być barionów na centymetr sześcienny. Tak ustalono, że ok. 90 proc. ciemnej materii to materia niebarionowa.

Jednak część ciemnej materii stanowi konwencjonalna materia barionowa. Na początku maja 2008 r. zespół astronomów z Niemiec i Holandii, kierowany przez astrofizyka Norberta Wernera, używając danych z europejskiego satelity XMM-Newton (obserwującego Wszechświat w zakresie promieniowania rentgenowskiego), wykrył bardzo wyraźny przepływ gigantycznego obłoku rozrzedzonego gazu o wysokiej temperaturze między dwiema gromadami galaktyk: Abell 222 i Abell 223. Gromady te są oddalone od nas o ponad 2 mld lat świetlnych. Przepływ następuje na odległość ok. 50 mln lat świetlnych, a ilość gazu w takim moście przekracza znacznie ilość materii zawartej w obu samych zasadniczych gromadach.

Co ciekawe, uczonym udało się uzyskać niezwykle wyraźny obraz tego zjawiska. Na optyczno-rentgenowskim zdjęciu widać wyraźnie, jak obie gromady są połączone. Przypuszcza się, że przepływ ten jest tylko maleńkim fragmentem ogromnej, choć niewidzialnej dla nas sieci podobnych połączeń w całym kosmosie. Astrofizyk prof. Roman Juszkiewicz (Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika PAN w Warszawie oraz Uniwersytet Zielonogórski) tłumaczy: – To rzeczywiście piękny wynik, który w całości potwierdza nasze wcześniejsze przypuszczenia. Mosty pomiędzy gromadami, zbudowane z włókien materii, oraz płaskie struktury zwane z rosyjska blinami pojawiły się po raz pierwszy na kartce papieru w postaci eleganckiego równania matematycznego, wyprowadzonego przez jednego z moich nauczycieli, Rosjanina Jakowa Zeldowicza. Takie włókna widać również w najnowszych symulacjach numerycznych, ale te wyniki byłyby niewiele warte, gdyby nie można ich było zweryfikować obserwacyjnie.

Gromady galaktyk

Pozostaje jednak o wiele więcej ciemnej materii niebarionowej, o której wiemy, że istnieje, ale wciąż nie wiadomo, czym mogłaby być. W maju 2007 r., za pomocą Teleskopu Kosmicznego Hubble’a krążącego na orbicie wokół Ziemi, zaobserwowano zderzenie dwóch gromad galaktyk. W jego wyniku ciemna materia zawarta w galaktykach została odrzucona na zewnątrz, jak fale po wrzuceniu kamienia do wody, tworząc gigantyczny pierścień. Choć nie jest zbudowany z materii barionowej, można określić jego wielkość i kształt po tym, w jaki sposób obie gromady zakrzywiają światło obiektów znajdujących się za nimi. Ma on średnicę ok. 2,6 mln lat świetlnych. Uczonym udaje się więc coraz częściej identyfikować dynamiczne skutki obecności ciemnej materii, wciąż jednak nie udaje im się odpowiedzieć na pytanie, czym ona naprawdę jest.

– Najprawdopodobniej – kontynuuje prof. Juszkiewicz – w grę wchodzi zupełnie nowa, nieznana nam jeszcze cząstka, która oddziałuje z materią barionową niemal wyłącznie grawitacyjnie, tak że wszystkie inne rodzaje oddziaływań (jak siły elektromagnetyczne czy jądrowe), które pozwalają schwytać znane nam cząstki w laboratorium, w tym wypadku są zaniedbywalnie małe. Być może nowe, bardziej czułe detektory w Wielkim Zderzaczu Hadronów (Large Hadron Collider, LHC), który rusza w tym roku w Europejskim Laboratorium Energii Jądrowej (CERN) w Genewie, pozwolą nam schwytać podejrzanego. Jeżeli to się nie powiedzie, trzeba będzie sięgnąć jeszcze głębiej i przebudować teorię grawitacji Einsteina.

Obydwie możliwości – niewielka modyfikacja przez dodanie do fizycznego modelu świata nowej cząstki, jak i potrzeba bardziej radykalnej rewizji opisu fundamentalnych oddziaływań – zdarzały się wcześniej w historii nauki. Dziwne zachowanie najdalszej z wówczas znanych planet, Urana, niektórzy uczeni w XIX w. uznali za kryzys newtonowskiej teorii grawitacji. Wielka oś orbity eliptycznej obraca się powoli wokół Słońca. Złożenie tego ruchu z ruchem po elipsie daje orbitę w kształcie pięknej rozety zamiast elipsy, jak Newton (i Kepler) przykazał. Zamiast rewidować teorię Newtona, Urbain Le Verrier, młody astronom francuski, w 1864 r. założył, iż ruch Urana zaburzony jest przez pole grawitacyjne nieznanej odległej planety (chyba najwcześniejszy przykład odwołania się do ciemnej materii – w skali Układu Słonecznego). Astronomowie skierowali teleskopy w miejsce na niebie wskazane przez Le Verriera i odkryli nową planetę – Neptuna. Tak kryzys zmienił się w triumf newtonowskiej teorii grawitacji.

– Kiedy jednak Le Verrier – zauważa prof. Juszkiewicz – spróbował w podobny sposób wyjaśnić anomalię ruchu Merkurego, planety najbliższej Słońca, okazało się to matematycznie niemożliwe. Le Verrier doszedł do wniosku, że tym razem trzeba będzie rozważyć modyfikację samej postaci prawa ciążenia. Jak się niebawem okazało, miał doskonałą intuicję. Anomalia, o której mowa – ruch peryhelium Merkurego – została wyjaśniona w 1915 r. przez nową teorię grawitacji Alberta Einsteina. Nie jest wykluczone, że właśnie dotarliśmy do kolejnego progu na drodze doskonalenia naszej znajomości prawa ciążenia.

Błąd Einsteina

Nie koniec na tym. W 1998 r. astronomowie badający odległe supernowe odkryli, że tempo rozszerzania się Wszechświata ulega przyspieszeniu, co było ogromnym zaskoczeniem. Tempo ekspansji powinno maleć z czasem, tak jak prędkość kamienia rzuconego pionowo w górę. Okazuje się jednak, że tempo rozszerzania malało jedynie na początku naszej kosmicznej historii. Po upływie ok. 1/7 jego dzisiejszego wieku Wszechświat zaczął się rozszerzać coraz szybciej. Taka historia tempa ekspansji sugeruje, iż powinniśmy do przyciągania grawitacyjnego dodać nową siłę – odpychającą.

Taką modyfikację rozważał sam Einstein, wprowadzając do swoich równań tak zwaną stałą kosmologiczną, którą następnie przyrównał do zera, powodując się ówczesnym stanem obserwacji oraz względami estetycznymi. Teraz wygląda na to, że mistrz niepotrzebnie się pospieszył. Model ze stałą kosmologiczną pasuje do obecnych danych jak ulał, co nie zmienia faktu, że nie mamy pojęcia, jaka jest jego natura fizyczna. Na pierwszy rzut oka stała kosmologiczna wygląda tak, jak gdyby do zupy kosmicznej, zawierającej materię barionową i niebarionową oraz promieniowanie elektromagnetyczne, został dodany nowy egzotyczny składnik – próżnia. W fizyce próżnia ma swoją strukturę i bierze aktywny udział w oddziaływaniach pomiędzy cząstkami elementarnymi. Cały problem polega jednak na tym, że wartość gęstości energii próżni, przewidywana przez obowiązującą teorię oddziaływań elementarnych, wynosi zero. Zamiast tego, z obserwacji gwiazd supernowych wynika, że gęstość energii próżni stanowi dokładnie owe 72 proc. wszystkiego, o czym wspomniano na początku.

Stąd też całkiem usprawiedliwione wydaje się nasze zdumienie, gdy uzmysłowimy sobie, że do 95 proc. otaczającej nas egzotycznej materii mamy dostęp jedynie pośredni, co zaostrza apetyt badawczy. Ale zaledwie sto lat temu, w 1908 r., wiedzieliśmy jeszcze mniej o strukturze owej zwyczajnej materii, niż dzisiaj wiemy o materii egzotycznej. Jedyną znaną (wtedy ledwie od 9 lat) cząstką elementarną był elektron, jądro atomowe zostało odkryte dopiero w 1911 r., neutron w 1932 r. O materii barionowej nikt nie słyszał, mimo że wszyscy mieli z nią cały czas bezpośredni kontakt.

Czytaj także

Co nowego w nauce?

W nowej POLITYCE

Zobacz pełny spis treści »

Poleć stronę

Zamknij
Facebook Twitter Google+ Wykop Poleć Skomentuj

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną