Poszukują ciemnej materii na Ziemi, pod ziemią iw kosmosie. Jego tajemnicze cząsteczki są niewidoczne dla instrumentów naukowych i nigdzie się nie ujawniają. Jednakże zebrano solidną „bazę dowodową” przemawiającą za ich istnieniem. Czy naukowcy mają szansę kiedykolwiek odkryć ciemną materię?
Kluczowy składnik wszechświata
Cząstki ciemnej materii narodziły się wkrótce po Wielkim Wybuchu, kiedy wszechświat był rozgrzaną do czerwoności plazmą. Gdy ostygły, utworzyły skupiska, które ostatecznie zapewniły pojawienie się gwiazd i galaktyk. Gdyby plazma zawierała tylko zwykłe cząsteczki tworzące atomy, wówczas promieniowanie odpychałoby je od siebie, nie pozwalając im na tworzenie jakichkolwiek struktur. Obiekty związane grawitacyjnie pojawiły się dość szybko, co oznacza, że coś im pomagało. Powstrzymała ich jakaś masywna substancja. Teraz w żaden sposób nie oddziałuje ze zwykłą materią, nie promieniuje, dlatego nie obserwujemy tego żadnymi metodami.
W ten sposób naukowcy rekonstruują ewolucję Wszechświata, która byłaby niekompletna bez udziału ciemnej materii. Do takiego wniosku doszedł już w latach trzydziestych XX wieku szwajcarski astronom Fritz Zwicky. Badając gromady galaktyk, zastanawiał się, dlaczego się nie rozpraszają. W końcu masa widocznych galaktyk nie wystarczy do utrzymania gromady. Dlatego musi istnieć ukryta masa. Później ta hipoteza znalazła liczne potwierdzenia anomalii w szybkościach rotacji galaktyk: części dysków daleko od centrum prawie nie zwalniają, tak jak gdyby składały się tylko z gwiazd.
Soczewkowanie grawitacyjne pozwala pośrednio wykryć obecność ukrytej masy. Efekt ten jest tworzony przez dwie masywne galaktyki położone jedna za drugą. Światło z odległej galaktyki jest zaginane przez pole grawitacyjne pobliskiej galaktyki i podobnie jak w soczewce pojawia się jej obraz. Daje to pewien wgląd w ciemną materię w galaktykach tworzących wokół siebie ogromne, niewidzialne halo. Korzystając z różnych modeli, naukowcy obliczają rozkład gęstości ciemnej materii w halo i na tej podstawie odgadują strukturę.
Po lewej stronie - halo ciemnej materii w galaktyce NGC 4555.
Film promocyjny:
Skład ciemnej materii
Fizycy są skłonni wierzyć, że ciemna materia składa się z nieznanych nam cząstek.
„Astrofizyczne metody obserwacji nic nie mówią o swoich właściwościach. Możliwe, że nie oddziałują one w żaden sposób, z wyjątkiem metody grawitacyjnej. Może ani bezpośrednie eksperymenty na Ziemi, ani obserwacje w kosmosie do niczego nie doprowadzą. Należy o tym zawsze pamiętać”- mówi Dmitrij Gorbunow, członek korespondent Rosyjskiej Akademii Nauk, główny pracownik naukowy Instytutu Badań Jądrowych Rosyjskiej Akademii Nauk w RIA Novosti.
Kandydaci do roli ciemnych cząstek obejmują ultralekkie aksjony, słabo oddziałujące cząstki (WIMP) i sterylne neutrina, które pomagają wyjaśnić masę i oscylacje neutrin słonecznych.
„Najlżejszym sterylnym neutrinem może być cząstka ciemnej materii. Nie jest stabilny, ale żyje bardzo długo. W Galaktyce takie cząstki powinny rozpadać się na neutrina i foton. Obracają się powoli (10–3 razy szybciej niż światło), więc w widmie fotonów spodziewany jest szczyt w zakresie promieniowania rentgenowskiego”- mówi naukowiec.
Według niego dobry spektrometr powinien być wysłany na orbitę, aby spróbować zarejestrować takie zdarzenia.
Dwa lata temu Gorbunov i jego współpracownicy stworzyli model jednej z hipotez dotyczących niestabilnego składnika ciemnej materii, aby wyjaśnić rozbieżność w wynikach eksperymentu z teleskopem kosmicznym Plancka, który mierzył promieniowanie reliktowe. Być może był to błąd, a może wskazanie jakiejś właściwości ciemnej materii. Naukowcy zasugerowali, że ciemna substancja ma niejednorodny skład i część z niej nie przetrwała do dziś.
W poszukiwaniu ciemnych cząstek
Jak uchwycić cząstki ciemnej materii to jedno z kluczowych pytań w fizyce. Wielu teoretyków i eksperymentatorów próbuje na to odpowiedzieć. Sposób obserwacji zależy od modelu, w którym są ułożone wszystkie właściwości hipotetycznej cząstki. Jeśli przyjmiemy, że ciemna materia znajdowała się w równowadze w plazmie wczesnego Wszechświata - a były tam również zwykłe cząstki - oznacza to, że w jakiś sposób oddziałuje z nimi. Ze wszystkich znanych rodzajów oddziaływań, z wyjątkiem oddziaływania grawitacyjnego, najbardziej odpowiednie jest oddziaływanie słabe, które zachodzi podczas rozpadu beta jądra atomowego.
„Przy takim założeniu, po ochłodzeniu pierwotnej plazmy, pozostaje wymagana ilość ciemnej materii” - wyjaśnia Dmitrij Gorbunow.
Na tej podstawie ciemne cząstki mogą zostać zniszczone, tworząc elektron i pozyton. Szukają śladów tych zagłady, ale są to w każdym razie poszlaki. Ponadto wyniki są dość rozmyte, cząstki są odchylane, lecąc wokół Galaktyki, anihilując, tracąc energię, a to, co dociera do Ziemi, jest trudne do rozróżnienia na tle promieni kosmicznych.
Próbują obserwować ciemne cząstki bezpośrednio w podziemnych detektorach neutrin. Pod ziemią zmniejsza się tło cząstek atmosferycznych, substancja detektora ochładza się i trzeba poczekać, aż uderzy w nią cząstka ciemnej materii. Te zdarzenia są same w sobie rzadkie, ponieważ jeśli cząstka oddziałuje, jest słaba. Uderzenie powoduje wzbudzenie atomu i wyrzut energii, który jest rejestrowany przez detektor.
Jednocześnie niemożliwe jest nieskończone zwiększanie objętości substancji detekcyjnej w celu zwiększenia prawdopodobieństwa przejścia ciemnych cząstek bez utraty czułości. Ponadto neutrina zakłócają sygnał. Aby go odciąć, być może będziesz musiał zbudować zupełnie nowy detektor, aby zejść poniżej tego sygnału.
„Konieczne jest wykorzystanie detekcji kierunku uderzenia cząstek. To znacznie stłumi tło, ponieważ neutrina lecą w kierunku od Słońca, a ciemna materia będzie uderzać w innych kierunkach”- precyzuje naukowiec.
Trzeci kierunek to tworzenie się cząstek ciemnej materii w wyniku zderzenia zwykłych cząstek w LHC i innych akceleratorach. Dla obserwatora będzie to wyglądało na przykład jak foton odlatujący w bok. Zgodnie z prawem zachowania pędu cząstka powinna także wylecieć w drugą stronę, ale jej nie ma. Więc jest niewidzialna.
Jak dotąd żaden ze sposobów na złapanie cząstek ciemnej materii nie okazał się skuteczny. Nie jest nawet jasne, który z nich jest najbardziej obiecujący.
Skład wszechświata / ilustracja: RIA Novosti.
Tatiana Pichugina