Halloween to także święto poszukujących to, co jest nieuchwytne. Dzień Ciemnej Materii

Określenie ciemna materia (ang. dark matter), choć nie jest do końca precyzyjne ze względu na własności obiektów określanych tym mianem, całkiem dobrze określa z kolei ich charakter z perspektywy obserwatora. To bowiem materia, której nie jesteśmy w stanie zobaczyć przy pomocy tradycyjnych technik obserwacji, a przede wszystkim naszych zdolności do postrzegania wizualnego i w innych zakresach promieniowania elektromagnetycznego. Takich jak promieniowanie radiowe, podczerwień, ultrafiolet i jeszcze bardziej energetyczne promieniowanie.

Gdyby węgiel był ciemną materią? Ale nie jest

Wydawałoby się, że skoro taka materia jest niedostrzegalna, to nie ma ona większego znaczenia. Tak pewnie powiedziałby laik jeszcze kilkanaście lat temu. Jednak dziś osoby interesujące się kosmosem, nawet w podstawowym stopniu, wiedzą, że ciemna materia to jeden ze składników naszego Wszechświata i co najważniejsze jeden z istotniejszych. W jej poszukiwania zaangażowane są najpotężniejsze komputery na świecie. W dniu 31 października obchodzimy tak zwany Dzień Ciemnej Materii (Dark Matter Day).

Dlaczego o ciemnej materii mówimy, że jest ciemna?

To co tworzy i wypełnia cały Wszechświat, a jest możliwe do określenia jak coś istniejącego, a nie kompletne nic, czyli brak egzystencji czegokolwiek, to tak zwana ciemna energia (stanowi około 66% ogólnego bilansu masa-energia), ciemna materia (stanowi 27%) i materia zwykła, czyli widzialna (to jedynie 5%). Nawet Ziemia, choć sama nie świeci jak Słońce, jest zaliczana do materii widzialnej. Najnowsze szacunki tego rozkładu składników Wszechświata zebrane są w analizie danych dla wieloletnich obserwacji około tysiąca supernowych. Nazwana jest ona Pantheon+.

Materia zwykła, widzialna, która tworzy gwiazdy, planety, stanowi jedynie 5% zawartości Wszechświata. Aż 27% to materia, której nie da się zobaczyć inaczej niż poprzez jej wpływ grawitacyjny. Całą resztę, czyli około 66%, stanowi ciemna energia. Te wszystkie składniki są niezbędne by wyjaśnić obecne tempo ekspansji Wszechświata

Ciemna materia to materia, której obecność można określić jedynie dzięki obserwacjom jej wpływu grawitacyjnego na otoczenie. Dlatego mówimy o niej ciemna.

Gromada galaktyk tak jak ją obserwujemy (po lewej) oraz ta sama gromada z naniesionym rozkładem ciemnej materii, który wywnioskowano z obserwacji ruchu poszczególnych obiektów

Czarna dziura w zasadzie jest przykładem ciemnej materii. Trzeba jednak tu pamiętać o tym, że czarne dziury jakie zwykle obserwujemy, czyli te stanowiące centra galaktyk czy pozostałości po supermasywnych gwiazdach, da się zaobserwować pośrednio. Jest też klasa tak zwanych czarnych dziur, które określane są mianem pierwotnych. Przypuszcza się, że powstały one z zagęszczeń materii, które pojawiły się w pierwszych sekundach istnienia Wszechświata po Wielkim Wybuchu. Część z nich mogła stać się zarodkami supermasywnych czarnych dziur, które dziś obserwujemy w centrach galaktyk, w tym w centrum Drogi Mlecznej. Reszta może być jednym ze składników ciemnej materii.

Co zainspirowało astronomów do poszukiwania ciemnej materii?

W dawnych czasach, gdy nawet natura naszego Słońca była czymś na poły mistycznym, astronomowie obserwowali to co można zaobserwować gołym okiem lub okiem uzbrojonym w instrumenty optyczne. To co obserwowano traktowano jako całość tego co istnieje w Kosmosie.

Galaktyki ultrarozproszone jak GAMA 526784 (tu obserwacja z teleskopu Hubble) to szczególnie ciekawe obiekty z perspektywy poszukiwań ciemnej materii. Mogą one bowiem zawierać zarówno dużą ilość ciemnej materii, jak i być jej kompletnie pozbawione

Z czasem jednak, już w XIX wieku, pojawiły się obliczenia, z których wynikało, że ruch gwiazd w Galaktyce (choć wtedy jeszcze nie wiedzieliśmy o istnieniu galaktyk) niezbyt odpowiada ruchowi, na który wpływ ma wyłącznie masa związana z obiektami dostrzegalnymi za pomocą promieniowania elektromagnetycznego. Pojawiła się potrzeba wypełnienia kosmosu dodatkową materią, której obserwować się nie da.

Większość galaktyk oprócz widzialnej części zawiera cześć niewidoczną, składającą się z ciemnej materii. Gromadzi się ona zwykle dookoła galaktyki w tak zwanym halo. Są jednak też galaktyki, w których obserwacje nie wskazują na występowanie dodatkowego składnika w postaci ciemnej materii. A także takie, które mogą w większości składać się z ciemnej materii.

Tempo poszukiwań ciemnej materii przybrało na intensywności w drugiej połowie XX wieku, gdy wykonano liczne obserwacje krzywych rotacji galaktyk. Szczególne zasługi na tym polu miała Vera C. Rubin, na której cześć nazwano nowe obserwatorium w Chile z gigantyczną kamerą.

Obserwacje wskazywały, że zewnętrzne regiony galaktyk poruszały się znacznie szybciej niż wynikałoby to z rozkładu widzialnej materii. Prędkość zamiast maleć utrzymywała się na tym samym poziomie nawet na granicach widzialnej cześci galaktyki.

Obserwacje prędkości radialnych obiektów w galaktyce M33. Zółte punkty to dane dla gwiazd, niebieskie dla obłoków wodoru neutralnego. Wynikająca z nich krzywa prędkości jest odmienna od tej, która byłaby wyliczona jedynie na podstawie zwykłej materii (linia przerywana). Fot: Mario de Leo CC BY-SA 4.0

Później pojawiły się inne świadectwa istnienia dodatkowego składnika w masie wszechświata, w tym obserwacje zjawisk soczewkowania grawitacyjnego, które wskazywało na obecność większej masy niż obserwowana. Obecność ciemnej materii, na którą nie ma wpływu promieniowanie, okazała się nie tylko zagadką, ale też pomocą w wyjaśnieniu takich niewiadomych jak tworzenie się wielkoskalowych struktur we wczesnym kosmosie.

Soczewkowanie grawitacyjne odległego kwazara przez gromadę galaktyk. Modelowanie zjawiska sugeruje, że jest w niej coś więcej niż materia widzialna

Czym może być ciemna materia? Lista kandydatów jest długa

To pytanie, na które wciąż nie mamy jednoznacznej odpowiedzi. Największym problemem jest fakt, że raczej nie można przypisać atrybutu ciemnej materii jednemu typowi obiektów. Kandydatów na ciemną materię jest bardzo dużo.

Początkowo mówiło się o tak zwanych MACHO czyli masywnych zwartych obiektach halo galaktycznego. To miały być duże obiekty, o rozmiarach makroskopowych. Zaliczano do nich nawet brązowe karły, samotne planety i gwiazdy neutronowe, czy czarne karły, które stały się już zbyt zimne, by je móc jakkolwiek obserwować. Ze względu na odległość od zwykłych gwiazd ich obecność nie byłaby możliwa do zaobserwowania inaczej niż poprzez efekty grawitacyjne, na przykład mikrosoczewkowanie. Z czasem wykluczono je jako istotny składnik ciemnej materii.

To właśnie chęć poszukiwania obiektów MACHO doprowadziła do powstania takich projektów jak polski OGLE. Ten projekt z czasem stał się jednym z największych wielkoskalowych i długoterminowych przeglądów nieba, który dostarczył ogromnej liczby informacji na temat populacji różnych obiektów zarówno w centrum Galaktyki, jak i dysku galaktycznym oraz pobliskich galaktykach, Wielkim i Małym obłoku Magellana.

Inna propozycją są tak zwane WIMP, czyli masywne, ale słabo oddziałujące cząstki. To tylko dwa ze znacznie dłuższej listy obiektów mogących stanowić ciemna materię. Wśród nich są między innymi sterylne neutrina, czyli te, które oddziałują jedynie grawitacyjnie, wspomniane pierwotne czarne dziury, cząstki supersymetryczne takie jak grawitino, aksjony.

Być może ciemną materię dałoby się wytworzyć podczas eksperymentów przeprowadzanych w LHC. Choć nie byłaby ona wykrywalna przez aparaturę, miałaby ona wkład w rozkład energii i momentu pędu, który możliwy jest do określenia. Na zdjęciu jeden ze służących temu instrumentów nazwany ATLAS (fot: Marcelloni De Oliveira, Claudia / CERN)

Ciemną materię zwykło się dzielić na tę chłodną (CDM, Cold Dark Matter) i gorącą (HDM, Hot Dark Matter) zależnie od energii jaką niosą tworzące ją obiekty. Model CDM pomocny jest przy wyjaśnianiu rozbieżności obserwacji wizualnych, a modeli teoretycznych. Wyjaśnia dystrybucję widzialnej materii we Wszechświecie. Z kolei udział HDM przeczyłby istnieniu wielkoskalowych struktur i nie jest traktowany jako zgodny z modelami kosmologicznymi.

A czym jest ciemna energia? To jeszcze większa tajemnica

Pojęcie ciemna materia zostało zastosowane przez Fritza Zwicky’ego w artykule opublikowanym w 1933 roku. Z kolei pojęcie ciemna energia po raz pierwszy zastosował Michael Turner w 1998 roku. Na jej istnienie wskazują obserwacje wielkoskalowych struktur jak supergromady galaktyk, soczewkowanie grawitacyjne, dane dostarczane przez pomiary mikrofalowego promieniowania tła, pomiary stałej Hubble’a, która określa tempo rozszerzania się Wszechświata.

Uznajemy potrzebę istnienia ciemnej energii, by wyjaśnić obserwowane tempo rozszerzania się Wszechświata, ale nie potrafimy wciąż powiedzieć jednoznacznie czym mogłaby ona być. Zależnie od postulatów, ciemna energia mogłaby być tym co określane jest jako stała kosmologiczna w równaniach teorii ogólnej względności, hipotetyczne pole nazywane kwintesencją, jak i czymś innym.

Są też przeciwnicy istnienia ciemnej energii, którzy uważają, że ciemna energia jest tylko iluzją związaną z innym zachowaniem się Wszechświata w naszym otoczeniu w porównaniu z jego resztą.

Źródło: CERN, inf. własna