Materia, którą znamy i możemy zaobserwować, stanowi około pięciu procent masy Wszechświata. Te wszystkie czarne dziury, gromady galaktyk, mgławice i inne niezwykłe cuda stanowią – według obliczeń – ułamek tego, co rzeczywiście istnieje. Bilans uzupełnia ciemna energia (niemal 70%) oraz będąca przedmiotem dzisiejszych refleksji ciemna materia, która stanowi około 25% tego, co istnieje. Tylko czym ona właściwie jest, w jaki sposób ją odkryliśmy, a wreszcie, co najważniejsze, w jaki sposób jej istnienie wpływa na Wszechświat? Tym właśnie zajmiemy się dzisiaj.
Już w latach 30. ubiegłego wieku Fritz Zwicky, szwajcarski astrofizyk, dokonał obliczeń, które do ówczesnych obserwacji wprowadzały niemałą sprzeczność. Wyliczył bowiem, że jedna z gromad galaktyk nie ma prawa istnieć – siła grawitacji miała być niewystarczająca, by utrzymać w ryzach kilka tysięcy tworzących ją galaktyk. Obserwacje nie potwierdzały jednak tych obliczeń, więc Zwicky zrzucił odpowiedzialność na ówczesny stan wiedzy. Przeszedł z tą anomalią do porządku dziennego. Dopiero niemal czterdzieści lat później odkrycia Very Rubin rzuciły na sprawę nieco światła, chociaż tak naprawdę przyniosły one więcej pytań niż odpowiedzi.
Coś, czego nie widać
Wykonajmy małe ćwiczenie wyobraźni. Wyobraźcie sobie uproszczony Układ Słoneczny; Słońce, Ziemię, Jowisza i Neptuna. Pomyślcie, że planety wirują wokół Słońca, przy czym pełny obrót Ziemi trwa 365 dni, pełny obrót Jowisza to jakieś 12 ziemskich lat, a pełny obrót Neptuna zajmuje 165 ziemskich lat. Widać wyraźnie, że obiekty bliższe Słońcu wykonują pełny obrót wokół niego znacznie częściej. Rozszerzmy teraz tę wizję na całą galaktykę; wyobraźcie sobie centrum galaktyki, gwiazdy blisko niego oraz gwiazdy znajdujące się gdzieś na krańcach ramion galaktyki. Co widzicie? Prawdopodobnie to samo, co wynikało z obliczeń Zwicky’ego – gwiazdy blisko centrum wirują wokół niego szybko, zaś im dalej od centrum, tym więcej czasu potrzeba, by gwiazda wykonała pełny obrót wokół środka galaktyki. Tymczasem nie.
Przyczyną, dla której Zwicky porzucił swoje dywagacje, były obserwacje, które mówiły jasno – okres obiegu gwiazd wokół centrum jest mniej więcej taki sam dla całej galaktyki! Upraszczam nieco ten model, ale nam to w zupełności wystarcza. To właśnie w tym momencie wkraczają odkrycia i symulacje Very Rubin, z których wynikał nieco przerażający wniosek. Aby ruch własny galaktyki wytłumaczyć matematycznie, konieczne było zwiększenie jej masy o jakieś pięć razy. Jednakże masa nie może brać się z niczego, a ta, którą mogliśmy zaobserwować, absolutnie nie tłumaczyła zjawiska – było jej po prostu zbyt mało. Konieczne było więc wprowadzenie do nauki czegoś nowego; czegoś, co po prostu wytłumaczyłoby obserwacje. Vera Rubin stwierdziła więc, że odpowiada za to ciemna materia – cząstki, które oddziałują ze znanym nam Wszechświatem tylko za pomocą siły grawitacji.
Próby wytłumaczenia
Istotne jest, że ówcześni naukowcy odrzucali teorię Very Rubin. Koncepcja była na tyle rewolucyjna i wywracająca astrofizykę do góry nogami, że po części nawet ich rozumiem. Historia pokazała jednak, że to właśnie Vera miała rację – obecnie świat naukowców dysponuje stuprocentową pewnością co do istnienia ciemnej materii, chociaż cały czas kompletnie nie ma pojęcia, czym ona właściwie jest.
Wiemy jednak, czym ciemna materia nie jest. Na przestrzeni ostatnich 50 lat pojawiło się sporo hipotez, których odrzucenie w jakiś sposób przybliżyło nas do znalezienia tej właściwej. Odrzucono między innymi tezę, jakoby ciemna materia była mikroskopijnymi czarnymi dziurami. Z kilku powodów. Po pierwsze obserwacje wykazują, że ciemna materia to raczej większe przestrzennie skupisko masy, natomiast czarne dziury gromadzą masę jak najbardziej zgromadzoną wokół osobliwości. Druga kwestia dotyczy tak zwanego wyparowywania czarnych dziur. Dzięki geniuszowi Stephena Hawkinga wiemy, że czarne dziury wypromieniowują swoją masę, co nazwane zostało właśnie promieniowaniem Hawkinga. Musicie bowiem wiedzieć, że próżnia jest pusta tylko pozornie; w rzeczywistości nieustannie pojawiają się w niej pary cząstka-antyczastka, które momentalnie wzajemnie się anihilują. Taka anihiliacja nie zachodzi jednak bezpośrednio na horyzoncie zdarzeń czarnej dziury.
Ów horyzont jest bowiem granicą, którą przekracza się tylko w jedną stronę – do środka. Nawet światło nie jest w stanie zza niego uciec, bowiem prędkość ucieczki jest, ze względu na masę obiektu, większa niż prędkość światła. Jeśli więc po jednej stronie horyzontu pojawi się cząstka, a po drugiej odpowiadająca jej antycząstka, to ta druga jest wypromieniowywana w kosmos, kolokwialnie mówiąc. Czarna dziura traci wtedy jakiś ułamek swojej masy. Świat naukowców jest pewny, że absolutnie każda czarna dziura przestanie z tego powodu istnieć – jeśli zabraknie jej masy do pożerania, bilans stanie się ujemny i po wielu miliardach lat nawet największa czarna dziura w końcu zamilknie. Ale to tylko taka dygresja.
Powróćmy do ciemnej materii. Inna teza traktowała o tym, iż jest ona po prostu zwykłą materią rozrzuconą w przestrzeni, gdzie nie występują gwiazdy. Zostało to jednak łatwo obalone, ponieważ takowa materia reagowałaby nie tylko grawitacyjnie. Tymczasem ciemna materia nie tylko nie emituje, ale też nie odbija światła. Jeszcze inna koncepcja dotyczyła antymaterii, natomiast tutaj też pojawił się problem; antymateria w reakcji z normalną materią produkuje unikalne promieniowanie gamma, w efekcie czego materia widzialna powinna reagować z ciemną materią choćby we wnętrzu galaktyki. Nic takiego nie ma jednak miejsca, zatem nasza nieuchwytna ciemna materia nie może być antymaterią.
Ciemna materia jest wszędzie
Szacuje się, że zawartość ciemnej materii w przeciętnym mieszkaniu to ułamek miligrama, zaś w ciągu minuty z naszym ciałem zderza się ledwie jeden atom owej materii. Dla porównania przypomnijmy tekst o neutrinach – być może pamiętacie, że w każdej sekundzie przez każdy centrymetr powierzchni ciała przelatuje coś około biliona neutrin. Daje to pewne wyobrażenie, natomiast trzeba wiedzieć jeszcze jedno – ciemna materia występuje nie tylko tam, gdzie materia „zwykła”. Jej skupiska tworzą ogromne przestrzenie, swoiste bąble ciemnej materii, których rozkład mniej więcej pokrywa się z materią widzialną, jest jednak znacznie szerszy. Obecnie naukowcy są zdania, że wszystkie galaktyki znajdują się w takich bąblach i tylko dzięki nich utrzymują swoją formę. W jednym z takich bąbli zanurzona jest Droga Mleczna, ale, co ciekawe, sięga on niemal do najbliższej nam Galaktyki Andromedy. Możecie sobie tylko wyobrazić, jak spektakularnym widokiem uraczyłby nas Wszechświat, gdyby ciemna materia nagle zniknęła.
Tylko skąd właściciwe wiemy, że te bąble istnieją? Na scenę wkracza tutaj pojęcie soczewkowania grawitacyjnego. Z pewnością wiecie, że chowanie się za owalnymi słupami reklamowymi podczas wiatru nie przynosi efektu, bowiem wiatr przed słupem rozdziela się, by tuż za słupem złączyć się ponownie. Jeśli zamiast wiatru weźmiemy światło emitowane przez galaktyki, a przestrzeń w miejscu słupa wypełnimy takim bąblem ciemnej materii, docierające do nas światło będzie nieco zniekształcone z powodu oddziaływania grawitacyjnego. A ponieważ owo światło reaguje tylko grawitacyjnie, mamy pewność, iż tym skupiskiem materii jest właśnie ciemna materia, a nie materia „zwykła”.
Wiemy, że nic nie wiemy
Konkluzja wynikająca z obserwacji jest prosta – nie mamy pojęcia, czym jest ciemna materia. Najprawdopodobniej jest tworzona przez cząstki, których jeszcze nie znamy; nie ma w tym nic dziwnego, bowiem nauka cały czas odkrywa coś nowego. Teoretyczne niegdyś cząstki, jak neutrina czy bozon Higgsa, doczekały się doświadczalnego potwierdzenia. W związku z tym pozostaje nam tylko nieustępliwie badać niezbadane, a kto wie, być może kiedyś tajemnicza ciemna materia zostanie obdarta z całej swojej tajemniczości.
_
#MiniNauka to cykl, w ramach którego staram się przekuwać swoje naukowe (czy raczej popularnonaukowe) zainteresowania w treści popularyzujące wiedzę o świecie i zjawiskach w nim zachodzących. Poruszam się po obszarach fizyki, kosmosu i technologii przyszłości, nierzadko sięgając po inne, powiązane dziedziny, przy zachowaniu przystępnej formy i względnie prostego języka.