Ogromna większość masy w naszym wszechświecie jest niewidoczna. Od dłuższego czasu fizycy próbują zrozumieć, czym jest ta nieuchwytna masa. Jeśli składa się z cząstek, istnieje nadzieja, że Wielki Zderzacz Hadronów może wytworzyć cząstkę ciemnej materii, albo teleskop kosmiczny zobaczy wymowną sygnaturę gamma zderzenia ciemnej materii. Jak dotąd nic nie ma. I ten problem sprawia, że fizycy teoretycy zastanawiają się nad nowymi pomysłami.
W 2017 roku znana fizyk teoretyczna Lisa Randall zajrzała do jednej z najbardziej niesamowitych możliwości ciemnej materii. Oczywiście hipotetyczne. Zamiast traktować ciemną materię jako szczególny rodzaj cząstek, założyła, że ciemna materia może składać się z całej rodziny cząstek, z których składają się ciemne gwiazdy, ciemne galaktyki, ciemne planety i prawdopodobnie ciemne życie. Chemia ciemnego wszechświata może być tak bogata i zróżnicowana, jak nasza własna „zwykła chemia”.
Ale to nie jest takie proste.
Problem z ciemną materią
Nasz Wszechświat to niesamowite, choć niezrozumiałe miejsce.
W ciągu kilku ostatnich dziesięcioleci zdaliśmy sobie sprawę, że 84,5% materii we Wszechświecie nie jest widoczne. Biorąc pod uwagę dość niezręczny przydomek „ciemna materia”, substancja ta jest w stanie, w którym nie oddziałuje z „normalną” materią. Podobnie jak ciemna energia, te rzeczy są „ciemne”, ponieważ ich nie rozumiemy.
Jeśli teraz na moim biurku leży kawałek ciemnej materii, nigdy się o tym nie dowiem. Ogólnie kawałek ciemnej materii nie może leżeć na moim biurku. Spadnie przez stół, a podłoga i skorupa ziemska wpadną do studni grawitacyjnej w jądrze naszej planety. Albo zniknie w kosmosie w niezrozumiały sposób. Ciemna materia oddziałuje tak słabo ze wszystkim, że ten kawałek po prostu spadnie przez zwykłą materię, jakby jej nie było.
Film promocyjny:
Na niewielką skalę grawitacyjne przejawy ciemnej materii są pomijalne, ale z odległości kosmologicznych zdecydowanie odczuwalna jest obecność ciemnej materii - można ją zaobserwować pośrednio poprzez jej grawitacyjny wpływ na gromady galaktyk i jej wpływ na rotację galaktyk. Wiemy, że istnieje, po prostu tego nie widzimy.
A my nie wiemy, co to jest. Możemy tylko zgadywać.
Zwykła materia - aka materia barionowa - oddziałuje poprzez siły elektromagnetyczne, grawitacyjne, silne i słabe. Siły te przenoszą energię i nadają strukturę całej materii. Z drugiej strony ciemna materia jest zwykle postrzegana jako amorficzna chmura „materii”, która nie może oddziaływać za pośrednictwem sił elektromagnetycznych, słabych lub silnych. Dlatego zakłada się, że ciemna materia jest „niebarionowa”. Materia niebarionowa może ujawnić swoją obecność tylko grawitacyjnie.
Wiodącym kandydatem w poszukiwaniu ciemnej materii jest WIMP, słabo oddziałująca masywna cząstka. Jak sugeruje nazwa WIMP, ta hipotetyczna cząstka nie oddziałuje z normalną materią - więc nie jest barionowa.
Ustanowione modele kosmologiczne przewidują, że ciemna materia - czy to w postaci, powiedzmy, WIMP-ów czy „aksionów” - nadaje naszemu Wszechświatowi strukturę i jest zwykle nazywana w uproszczeniu „klejem”, który utrzymuje nasz Wszechświat jako całość.
Obserwując rotację galaktyk, astronom Vera Rubin zauważyła, że większości materii w galaktykach nie można zaobserwować. Widoczny jest tylko niewielki procent - gwiazdy, gaz i pył; reszta kryje się w ogromnej, ale niewidzialnej aureoli ciemnej materii. To tak, jakby nasza widzialna galaktyka zwykłej materii była tylko maską na ogromnym kole ciemnej materii, które rozciąga się daleko poza to, co możemy zobaczyć.
W niedawno opublikowanym artykule (2013) Randall i jej koledzy przedstawili bardziej złożoną formę ciemnej materii. Według nich halo ciemnej materii naszej galaktyki nie składa się tylko z jednego typu amorficznej masy materii niebarionowej.
„Wydaje się bardzo dziwne, że założenie, że cała ciemna materia składa się tylko z jednego rodzaju cząstek”, pisze Randall. „Bezstronny naukowiec nie powinien pozwalać, aby ciemna materia była tak różnorodna, jak nasza normalna materia”.
Bogaty „wszechświat cieni”?
Tak jak naszym widzialnym wszechświatem rządzi standardowy model fizyki - dobrze przetestowana rodzina cząstek (w tym niesławny bozon Higgsa) i sił, czy bogaty i zróżnicowany model cząstek i sił ciemnej materii może funkcjonować w ciemnym galaktycznym halo?
Te badania są zgodne z logiką zakładania bogatej różnorodności nieznanej fizyki w ciemnym sektorze Wszechświata - nazwijmy to „wszechświatem cienia” - która przebiega równolegle do naszego i ma wszystkie złożoności, jakie ma do zaoferowania nasz widzialny wszechświat.
Astrofizycy sugerowali wcześniej, że „ciemne gwiazdy” - gwiazdy zbudowane z ciemnej materii - mogą istnieć w naszym starożytnym wszechświecie do dziś. Jeśli tak, twierdzi Randall, być może mogłyby powstać „ciemne planety”. A jeśli istnieje rodzina cząstek ciemnej materii kontrolowanych przez siły rozmieszczone w ciemnym sektorze, czy może to prowadzić do złożonej chemii? A do życia?
Jeśli jednak życie „ciemne” lub „cienie” istnieje równolegle do naszego wszechświata, możesz zapomnieć, że możemy je wykryć.
Życie w cieniu pozostanie w cieniu
Wydaje się kuszące, aby wykorzystać tę hipotezę do wyjaśnienia wszystkich codziennych tajemnic, a nawet twierdzeń paranormalnych, których nauka nie może kwestionować ani wspierać. A jeśli „duchy” lub niewytłumaczalne „światła na niebie” są wybrykami ciemnych stworzeń żyjących na tyłach wszystkiego?
Chociaż ta logika byłaby odpowiednia dla programu telewizyjnego lub filmu, te ciemne stworzenia żyłyby w cienistym wszechświecie, który jest całkowicie niezgodny ze zwykłą materią. Ich cząstki i siły nie miałyby żadnego wpływu na nasz wszechświat. Możesz przeczytać te wersety siedząc na pniu w ciemnym lesie i nigdy by się o tym nie dowiedział.
Ale ponieważ współistniejemy z tym cieniem wszechświatem w tej samej czasoprzestrzeni - bez dodatkowych wymiarów lub multiwersu - można przesłać tylko jeden sygnał.
Fale grawitacyjne odkryto dopiero w 2016 roku, a pierwsze wykrycie tych zmarszczek w czasoprzestrzeni było spowodowane zderzeniem czarnych dziur. Wydaje się całkiem możliwe, że fale grawitacyjne można wykryć w ciemnym sektorze, ale tylko najpotężniejsze zdarzenia kosmiczne w ciemnym sektorze można wykryć na naszym końcu drutu.
Podsumowując, prawie na pewno nigdy nie udowodnimy istnienia uroczych stworzeń z ciemnej materii, ale Randall ma rację. Kiedy kontemplujemy źródło ciemnej materii, musimy wyjść poza nasze uprzedzenia; ciemny sektor może być złożoną rodziną cząstek ciemnej materii i sił, które wykraczają poza to, co możemy sobie wyobrazić.
Ilya Khel