Większość Wszechświata składa się z „materii”, której nie można zobaczyć, prawdopodobnie niematerialnej, i oddziałuje z innymi rzeczami tylko dzięki sile grawitacji. O tak, a fizycy nie wiedzą, czym jest ta materia ani dlaczego we Wszechświecie jest jej tak dużo - około czterech piątych jego masy.
Naukowcy nazywają to ciemną materią.
Gdzie więc jest ta tajemnicza materia, która stanowi tak ogromną część naszego wszechświata i kiedy naukowcy ją odkryją?
Skąd wiemy, że ta sprawa istnieje
Hipotezę ciemnej materii po raz pierwszy wysunął szwajcarski astronom Fritz Zwicky w latach trzydziestych XX wieku, kiedy zdał sobie sprawę, że jego pomiary mas gromad galaktyk wykazały, że część masy we Wszechświecie „brakuje”. Cokolwiek sprawia, że galaktyki są cięższe, nie emituje żadnego światła ani nie oddziałuje z niczym innym niż grawitacją.
Astronomka Vera Rubin w latach 70. odkryła, że rotacja galaktyk nie jest zgodna z prawem ruchu Newtona; gwiazdy w galaktykach (w szczególności Andromeda) wydawały się obracać wokół centrum z tą samą prędkością, ale te bardziej oddalone od gwiazdy poruszają się wolniej. Jakby coś dodawało masę do zewnętrznej części galaktyki, której nikt nie mógł zobaczyć.
Reszta dowodów pochodzi z soczewkowania grawitacyjnego, które występuje, gdy grawitacja dużego obiektu zakrzywia fale świetlne wokół obiektu. Zgodnie z ogólną teorią względności Alberta Einsteina grawitacja zakrzywia przestrzeń (tak jak zapaśnik sumo może zdeformować matę, na której stoi), tak że promienie światła zakrzywiają się wokół dużych obiektów, mimo że samo światło jest bezmasowe. Obserwacje wykazały, że nie było dostatecznej ilości widzialnej masy, aby zakrzywić światło, tak jak to miało miejsce w przypadku pojedynczych gromad galaktyk - innymi słowy, galaktyki były masywniejsze niż powinny.
Film promocyjny:
Jest też promieniowanie reliktowe (KMPT), „echo” Wielkiego Wybuchu i supernowe. „CMB mówi nam, że wszechświat jest przestrzennie płaski” - powiedział Jason Kumar, profesor fizyki na Uniwersytecie Hawajskim. „Przestrzennie płaskie” oznacza, że jeśli narysujesz dwie linie przez wszechświat, nigdy się nie przecinają, nawet jeśli linie te miały rozmiary miliardów lat świetlnych. W stromo zakrzywionym wszechświecie te linie spotkają się w pewnym punkcie przestrzeni.
Obecnie wśród kosmologów i astronomów istnieje niewielka kontrowersja dotycząca istnienia ciemnej materii. Nie wpływa na światło i nie jest naładowany tak jak elektrony czy protony. Do tej pory wymykał się bezpośredniemu wykryciu.
„To jest tajemnica” - powiedział Kumar. Być może naukowcy próbowali „zobaczyć” ciemną materię na różne sposoby - albo poprzez interakcję ze zwykłą materią, albo poprzez poszukiwanie cząstek, które mogłyby być ciemną materią.
Czym nie jest ciemna materia
Pojawiło się i odeszło wiele teorii na temat tego, czym jest ciemna materia. Jedno z pierwszych było całkiem logiczne: pytanie było ukryte w masywnych astrofizycznych zwartych obiektach halo (MACHO), takich jak gwiazdy neutronowe, czarne dziury, brązowe karły i planety zboczone. Nie emitują światła (lub emitują bardzo mało), więc są praktycznie niewidoczne dla teleskopów.
Jednak badanie galaktyk poszukujących niewielkich zniekształceń w świetle gwiazd wytwarzanym przez przechodzące obok MACHO - zwane mikrosoczewkowaniem - nie mogło wyjaśnić ilości ciemnej materii wokół galaktyk, a nawet jej znacznej części. „MACHO wydają się być tak samo wykluczone jak zawsze” - powiedział Dan Hooper, współpracownik naukowy w Fermi National Accelerator Laboratory w Illinois.
Ciemna materia nie wydaje się być chmurą gazu, której nie można zobaczyć przez teleskopy. Rozproszony gaz będzie absorbował światło z odległych galaktyk, a na szczycie tego normalnego gazu ponownie wyemituje promieniowanie o długich falach - na niebie będzie ogromna emisja światła podczerwonego. Ponieważ tak się nie dzieje, możemy to wykluczyć.
Co to mogło być
Słabo oddziałujące masywne cząstki (WIMP) są jednymi z najsilniejszych pretendentów do wyjaśnienia ciemnej materii. Wimpy to ciężkie cząstki - około 10 do 100 razy cięższe od protonu, które powstały podczas Wielkiego Wybuchu i do dziś są w małych ilościach. Cząsteczki te oddziałują z normalną materią poprzez grawitację i słabe siły jądrowe. Bardziej masywne WIMP-y będą poruszać się wolniej w przestrzeni i dlatego mogą być kandydatami na „zimną” ciemną materię, podczas gdy lżejsze będą się poruszać szybciej i będą kandydatami na „ciepłą” ciemną materię.
Jednym ze sposobów ich znalezienia jest „bezpośrednia detekcja”, na przykład w eksperymencie Large Underground Xenon (LUX), w którym znajduje się zbiornik z ciekłym ksenonem w kopalni w Dakocie Południowej.
Innym sposobem zobaczenia mięczaków może być akcelerator cząstek. W akceleratorach jądra atomowe rozpadają się z prędkością bliską prędkości światła, a podczas tego procesu energia zderzenia jest przekształcana w inne cząstki, niektóre z nich są nowe dla nauki. Jak dotąd nie znaleziono w akceleratorach cząstek niczego, co wyglądałoby jak domniemana ciemna materia.
Inna możliwość: aksjony. Te subatomowe cząstki można było wykryć pośrednio na podstawie rodzajów promieniowania, które emitują, sposobu, w jaki niszczą lub jak rozpadają się na inne typy cząstek lub pojawiają się w akceleratorach cząstek. Jednak nie ma również bezpośrednich dowodów na aksjony.
Odkąd odkrycie ciężkich, powolnych „zimnych” cząstek, takich jak WIMP lub aksjony, nie przyniosło jeszcze rezultatów, niektórzy naukowcy rozważają możliwość, że lekkie, szybciej poruszające się cząstki powodują „ciepłą” ciemną materię. Zainteresowanie takim modelem ciemnej materii zostało wznowione po tym, jak naukowcy znaleźli dowody na nieznaną cząstkę za pomocą Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra w gromadzie Perseusza, grupie galaktyk oddalonych o około 250 milionów lat świetlnych od Ziemi. Znane jony w tej gromadzie wytwarzają określone linie emisji promieniowania rentgenowskiego, aw 2014 roku naukowcy dostrzegli nową „linię”, która mogłaby odpowiadać nieznanej cząstce światła.
Jeśli cząstki ciemnej materii są lekkie, naukowcom będzie ciężko znaleźć je bezpośrednio - mówi Tracey Slater, fizyk z MIT. Zaproponowała nowe typy cząstek, które mogą tworzyć ciemną materię.
„Ciemna materia o masie poniżej około 1 GeV jest naprawdę trudna do wykrycia za pomocą standardowych eksperymentów z bezpośrednią detekcją, ponieważ ich działanie polega na poszukiwaniu niewyjaśnionych odrzutów jąder atomowych … ale kiedy ciemna materia jest znacznie lżejsza niż jądro atomowe, energia odrzutu jest bardzo mała” - powiedział Tracy Łupkarz.
W poszukiwaniu ciemnej materii przeprowadzono wiele badań i jeśli zawiodą obecne metody, zostaną przeprowadzone nowe. Używanie „ciekłego” helu, półprzewodników, a nawet zrywanie wiązań chemicznych w kryształach to tylko niektóre z nowych pomysłów na wykrywanie ciemnej materii.