Czym jest ciemna materia i dlaczego jej nie widzimy?

Niewidzialny szkielet Wszechświata

Spójrz w nocne niebo, a zobaczysz gwiazdy, planety i słabe smugi odległych galaktyk. Ale według najlepszych pomiarów kosmologów, wszystko, co widoczne – każdy atom w każdej gwieździe, planecie i obłoku gazu – stanowi tylko około 5% całkowitej masy i energii wszechświata. Mniej więcej 27% to coś zupełnie innego: ciemna materia, substancja, która ani nie emituje, ani nie pochłania światła i nigdy nie została bezpośrednio wykryta, a której grawitacyjne odciski palców są wszędzie.

Niedawne odkrycie podkreśliło, jak wszechobecna jest ciemna materia: astronomowie ogłosili, że Droga Mleczna znajduje się wewnątrz rozległej, płaskiej warstwy ciemnej materii rozciągającej się na ponad 30 milionów lat świetlnych, ukrytego rusztowania, które wyjaśnia, dlaczego pobliskie galaktyki dryfują na zewnątrz, zamiast być przyciągane przez grawitację naszej galaktyki. Odkrycie, opublikowane w Nature Astronomy, stanowi kolejny dowód w górze dowodów zgromadzonych na przestrzeni prawie wieku, że coś niewidocznego kształtuje kosmos.

Jak naukowcy udowodnili istnienie czegoś niewidzialnego

Historia zaczyna się w 1933 roku, kiedy szwajcarski astronom Fritz Zwicky badał Gromadę Coma i zauważył, że jej galaktyki poruszają się zdecydowanie za szybko. Widoczna masa gromady nie mogła wytworzyć wystarczającej grawitacji, aby powstrzymać je przed rozpadem – a jednak pozostały związane. Zaproponował niewidoczną masę, którą nazwał dunkle Materie: ciemną materią.

Dziesięciolecia później amerykańska astronom Vera Rubin dostarczyła najbardziej przekonującego dowodu. Pracując ze swoim kolegą Kentem Fordem w latach 70., sporządziła krzywe rotacji galaktyk spiralnych – wykresy pokazujące, jak szybko gwiazdy krążą wokół centrum galaktyki w różnych odległościach. Prawa fizyki przewidują, że gwiazdy daleko od jasnego jądra galaktyki powinny krążyć wolniej, tak jak zewnętrzne planety krążą wokół Słońca wolniej niż wewnętrzne. Zamiast tego Rubin odkryła, że gwiazdy na krawędzi galaktyki poruszają się równie szybko jak te w pobliżu centrum. Jej drobiazgowe badania ponad 75 galaktyk spiralnych wykazały, że galaktyki muszą zawierać od pięciu do dziesięciu razy więcej masy niż jest widoczne. Coś niewidzialnego zapewniało dodatkową grawitację.

Trzecia linia dowodów pochodzi z soczewkowania grawitacyjnego. Ogólna teoria względności Einsteina przewiduje, że masa zakrzywia światło. Kiedy astronomowie obserwują odległe galaktyki zniekształcone w łuki i pierścienie przez gromady galaktyk na pierwszym planie, stopień zakrzywienia ujawnia znacznie więcej masy, niż mogą wytłumaczyć widoczne gwiazdy gromad. Gromada Bullet – dwie gromady galaktyk, które zderzyły się i przeniknęły przez siebie – stała się ikonicznym przypadkiem: widoczny gaz spowolnił podczas zderzenia, ale mapy soczewkowania grawitacyjnego pokazują, że większość masy przepłynęła prosto, dokładnie tak, jak zrobiłoby to słabo oddziałujące halo ciemnej materii.

Czym może być ciemna materia?

Pomimo przytłaczających pośrednich dowodów, żaden eksperyment nie złapał bezpośrednio cząstki ciemnej materii. Badanych jest kilka kandydatów:

• WIMP-y (słabo oddziałujące masywne cząstki) – hipotetyczne cząstki o masach od 1 do 1000 razy większych niż proton. Oddziaływałyby poprzez grawitację i słabe oddziaływanie jądrowe, ale przechodziłyby przez zwykłą materię prawie bez śladu. WIMP-y były przez długi czas wiodącym kandydatem, ale dziesięciolecia poszukiwań nie przyniosły potwierdzonego wykrycia.
• Aksjony – niezwykle lekkie cząstki, pierwotnie zaproponowane w celu rozwiązania problemu w chromodynamice kwantowej. Ich niewielka masa i słabe oddziaływania utrudniają ich wykrycie, ale eksperymenty takie jak ADMX ich poszukują.
• Sterylne neutrina – ciężsi kuzyni neutrin już znanych fizyce, oddziałujący tylko poprzez grawitację.

Jak zauważa CERN, fizycy nie mogą również wykluczyć, że ciemna materia składa się z zupełnie nowej fizyki wykraczającej poza Model Standardowy.

Jak prowadzone są poszukiwania

Naukowcy poszukują ciemnej materii trzema równoległymi ścieżkami. Eksperymenty bezpośredniej detekcji – takie jak projekt XENON zakopany głęboko pod włoską górą Gran Sasso – wypełniają zbiorniki ciekłym ksenonem i czekają, aż cząstka ciemnej materii rozproszy się na jądrze atomowym, wytwarzając maleńki błysk światła. Detekcja pośrednia poszukuje promieni gamma lub innego promieniowania, które cząstki ciemnej materii mogą wytwarzać, gdy się wzajemnie anihilują. Akceleratory cząstek, w tym Wielki Zderzacz Hadronów w CERN, poszukują ciemnej materii wytwarzanej w zderzeniach o wysokiej energii, szukając zdarzeń, w których pęd wydaje się znikać, zabierany przez niewidzialną cząstkę.

Według Departamentu Energii USA, każde podejście jest wrażliwe na różne typy kandydatów, dlatego tak ważne jest jednoczesne prowadzenie wszystkich trzech.

Dlaczego to ma znaczenie

Ciemna materia nie jest akademicką ciekawostką. Bez niej galaktyki, jakie znamy, nie mogłyby istnieć – zapewnia ona grawitacyjny szkielet, wokół którego zwykła materia gromadzi się, tworząc gwiazdy i planety. Zrozumienie jej natury może ujawnić zupełnie nowe fundamentalne siły lub cząstki, zmieniając fizykę tak głęboko, jak mechanika kwantowa sto lat temu. Za każdym razem, gdy detektor nic nie znajduje, zawęża poszukiwania; każde nowe badanie kosmiczne mapuje rozkład ciemnej materii dokładniej. Odpowiedź, gdy nadejdzie, zmieni sposób, w jaki ludzkość rozumie wszechświat, który zamieszkuje.