Ciemna materia jest najbardziej tajemniczą i bezwładną substancją we wszechświecie. Jego efekty grawitacyjne wyjaśniają rotację galaktyk, ruch gromad i struktury o największej skali w całym wszechświecie. Ale na mniejszą skalę jest zbyt mała, aby wpłynąć na ruch Układu Słonecznego, materię Ziemi czy pochodzenie i ewolucję człowieka. Biorąc to pod uwagę, grawitacja zapewniana przez ciemną materię jest absolutnie niezbędna dla surowców, które tworzą życie takie jak my i planeta taka jak Ziemia. Bez ciemnej materii nie byłoby życia we Wszechświecie.
Gwiazdy wytwarzają 100% światła, które widzimy we Wszechświecie, ale tylko 2% jego masy. Kiedy patrzymy na ruchy galaktyk, gromad i nie tylko, stwierdzamy, że ilość masy grawitacyjnej 50 razy przewyższa masę gwiazdy. Można by pomyśleć, że inne rodzaje zwykłej materii mogłyby wyjaśnić tę różnicę. W końcu oprócz gwiazd odkryliśmy wiele innych rodzajów materii we wszechświecie:
- pozostałości po gwiazdach, takich jak białe karły, gwiazdy neutronowe i czarne dziury;
- asteroidy, planety i inne obiekty, których masa jest zbyt mała, aby mogły być gwiazdami;
- gaz obojętny w galaktykach i przestrzeń między nimi;
- kurz blokujący obszary światła i zamglenia;
- zjonizowana plazma, która jest bogata w środowisko międzygalaktyczne.
Wszystkie te formy zwykłej materii - lub materii, która pierwotnie składała się z tych samych rzeczy, którymi jesteśmy: protonów, neutronów i elektronów - wnoszą swój wkład. W szczególności gaz i plazma wnoszą więcej niż suma wszystkich gwiazd we Wszechświecie. Ale nawet jeśli dodamy wszystkie te składniki do siebie, otrzymamy tylko 15-17% całkowitej ilości materii potrzebnej do wyjaśnienia grawitacji. W pozostałej części ruchu, który widzimy, potrzebujemy materii, która nie tylko różni się od protonów, neutronów i elektronów, ale także nie odpowiada żadnej znanej cząstce Modelu Standardowego. Potrzebujemy jakiejś ciemnej materii.
Film promocyjny:
Niewielka grupa naukowców jest przeciwna dodaniu jakiegoś niewidzialnego źródła masy, ale za zmianą praw grawitacji. Taki model ma trudności, w tym niemożność odtworzenia pełnego zestawu obserwacji, w tym ruchu pojedynczych galaktyk w gromadach, kosmicznego mikrofalowego tła, zderzeń gromad galaktyk oraz gigantycznej kosmicznej sieci obserwowanej wielkoskalowej struktury Wszechświata. Jest też inny ważny dowód wskazujący na istnienie ciemnej materii. Będziesz zaskoczony, ale takie jest nasze istnienie.
Zaskoczy Cię, że ciemna materia jest nam potrzebna nie tylko do wyjaśnienia astrofizycznych zjawisk, takich jak rotacja galaktyk, ruch gromad i ich zderzeń, ale także do wyjaśnienia samego pochodzenia życia.
Aby zrozumieć dlaczego, trzeba pamiętać, że Wszechświat zaczął się od gorącego i gęstego stanu - Wielkiego Wybuchu - kiedy wszystko było w postaci praktycznie jednorodnego morza oddzielnych, wolnych, wysokoenergetycznych cząstek. Gdy Wszechświat ochładzał się i rozszerzał, powstawały protony, neutrony i najlżejsze jądra (wodór, hel, deuter i trochę litu), ale nic więcej. Dopiero dziesiątki lub setki milionów lat temu materia ta zapadła się w regiony wystarczająco gęste, by uformować gwiazdy i wreszcie galaktyki.
Wszystko to wydarzyłoby się, choćby w nieco inny sposób, z ciemną materią lub bez niej. Ale aby pierwiastki niezbędne do życia w obfitości - węgiel, tlen, azot, fosfor, siarka - musiały zostać wytopione w rdzeniach najbardziej masywnych gwiazd we wszechświecie. Nie czyni nas ani gorącymi, ani zimnymi; aby mogły uformować stałe planety, cząsteczki organiczne i życie, muszą najpierw wrzucić te ciężkie atomy do ośrodka międzygwiazdowego, gdzie ponownie staną się gwiazdami już w następnych pokoleniach. Wymaga to wybuchu supernowej.
Obserwowaliśmy te eksplozje bardzo szczegółowo i wiemy w szczególności, jak szybko ta materia jest wyrzucana z gwiazd w ich śmiertelnym okresie: tysiące kilometrów na sekundę. (Pozostałości po supernowej Cas A wyrzuciły materiał z prędkością 5000, a nawet 14500 km / s!). Chociaż ta liczba może wydawać się niewielka, zwłaszcza biorąc pod uwagę prędkość światła, pamiętaj, że nasza własna gwiazda krąży po Drodze Mlecznej z prędkością zaledwie 220 km / s. Gdyby Słońce obracało się co najmniej trzy razy szybciej, znaleźlibyśmy się już poza grawitacyjnym przyciąganiem naszej galaktyki - zostalibyśmy wyrzuceni.
Pozostałości supernowej wyrzucają cięższą materię, ale dzięki potężnemu przyciąganiu grawitacyjnemu rozproszonego, wydłużonego halo ciemnej materii, większość tej masy będziemy trzymać wewnątrz naszej galaktyki. Z czasem materia powróci do normalnych obszarów bogatych w normalną materię, utworzy obojętne obłoki molekularne i będzie stanowić podstawę dla kolejnych generacji gwiazd, planet i, co najciekawsze, organicznych kombinacji molekularnych.
Ale bez dodatkowego przyciągania masywnego halo ciemnej materii otaczającego galaktykę, ogromna większość materii wyrzuconej z supernowej opuści galaktykę na zawsze. Zawsze będzie unosić się w środowisku międzygalaktycznym, ale nigdy nie stanie się częścią przyszłych generacji układów gwiezdnych. We Wszechświecie bez ciemnej materii mielibyśmy gwiazdy i galaktyki, ale planety byłyby tylko gazowymi olbrzymami, nie byłoby stałych światów, płynnej wody i życia. Bez obfitości ciężkich pierwiastków dostarczanych przez pokolenia masywnych gwiazd życie molekularne nigdy by nie istniało.
Okazuje się, że masywne halo ciemnej materii otaczające naszą galaktykę, które pozwoliło na powstanie życia opartego na węglu, które wybrało Ziemię jako swój dom - lub coś innego - jest warte podziękowania za to wszystko. Zagłębiając się coraz głębiej w zasady wszechświata, rozumiemy, że ciemna materia jest absolutnie niezbędna do pojawienia się życia. Bez niej nie byłoby chemii, złożonych elementów, biologii, stałych planet, życia - i nas.
ILYA KHEL
